CSAPP 4.2 Logic design ant the Hardware Contrlop Language HCL

📝 상세 정리

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• 4.2.0
  • 하드웨어 상에서 전자 회로는 비트들 상의 함수를 계산하고 / 상이한 종류의 메모리 요소들에 비트들을 저장하기 위해 사용된다.
    • 논리값 1은 1볼트 내외의 고전압, 0은 0볼트 내외의 저전압으로 표현한다.
  • 디지털 시스템을 구현하기 위해서는 다음과 같은 세가지 주요 구성 요소가 필요하다.
    • 비트에 대한 함수를 계산하기 위한 조합 로직
    • 비트를 저장하기 위한 메모리 요소
    • 메모리 요소의 업데이트를 위한 클록 신호
• 4.2.1 Logic Gates
  • 논리 게이트는 디지털 회로의 기본 컴퓨팅 요소이다.
    • bool값에 대한 and, or, not 연산
  • && & / || | 차이
    • && || 는 논리연산자 -> 결과는 0 or 1
    • & |는 비트연산자 -> 결과는 각 비트에 대해 수행한 값
  • 논리게이트는 항상 활성화 되어있다.
    • 입력값이 변경되면 잠시후에 그에따라 출력이 수정될 것
• 4.2.2 Combinational circuits and HCL Boolean Ecpressions
  • 다수의 논리 게이트를 네트워크로 조립하면서 우리는 조합 회로로 알려진 계산 블록을 구성할 수 있다.
  • 이때 몇가지 제한이 있는데
    • 모든 논리 게이트의 입력은 다음 세가지중 정확히 하나에 연결되어야 한다.
      • 시스템 입력(1차 입력)
      • 일부 메모리요소의 출력
      • 일부 논리게이트의 출력
    • 둘 이상의 논리 게이트의 출력은 함께 연결될 수 없다.
      • (?wire 를 상이한 전압을 향해 구동시켜서 회로 오동작을 야기할 수 있다.)
        • 아하, 이게 무슨소린가 했는데 두 출력부를 연결하면 하나가 1, 하나가 0이었다면 연결될때 좀 곤란해진다! 전원과 접지가 만나는것도 이슈고.
    • 네트워크는 비순환적이어야 한다.
      • 루프는 네트워크에 의해 계산된 함수에 모호성을 야기할 수 있다.
• 4.2.3 Word-Level Combinational Circuits and HCL Integer Expressions
  • 큰 논리 게이트 네트워크를 조립함으로써 우리는 훨씬 더 복잡한 함수를 계산할 수 있다.
    • word 단위로 연산해야지!
    • 정수, 주소, instuction 코드, 레지스터 식별자 등 4~64비트 범위의 수많은 word가 있을 것
  • 앞으로 그림으로 나타낼때 점선은 비트단위, 중간크기 실선은 word단위
• 4.2.4 Set MemberShip
  • HCL에서 or연산이 붙어있는 코드는 in 명령어를 사용할 수 있다.
• 4.2.5 Memory and Clocking
  • 조합회로는 본질적으로 어떤 정보도 저장하지 않는다.
  • 하지만 순차회로가 필요해지면, 우리는 비트로 표현되는 정보를 저장하는 장치를 도입해야 한다.
    • 이는 새로운 값이 장치에 로드될 때를 결정하는 주기적인 신호인 단일 클럭에 의해 제어된다.
    • 클록 레지스터는 개별 비트 / 워드를 저장함
    • 랜덤 액세스 메모리는 주소를 사용해서 읽거나 쓸 단어를 선택하면서 여러 워드를 저장함
      • 대표적으로 가상 메모리 시스템, 레지스터 파일 등
    • 아무튼 이 두가지 레지스터를 각각 하드웨어 레지스터 / 프로그램 레지스터라고 하자.
  • 레지스터 파일은 내부 저장장치를 갖기에 조합회로가 아니다.
  • 아하, 이게 종합적으로 무슨말인지 천천히 읽으면서 이해해보자.
    • 결국 값을 저장할 일은 분명히 생긴다. 전에 계산한 결과를 활용하던가 해야할 수 있으니까.
    • 잘 알듯이 그걸 저장하는 부분은 CPU의 레지스터다. CPU에 달려있는 그 친구를 하드웨어 레지스터라고 부르자.
    • 그러면 저장을 어떻게 구현하는가? CPU에서는 안에서 D-플립플랍이라는걸 이용해서, 안에 전류를 가두는 방식을 사용한다.
      • 가두는 타이밍은 클록 신호 (0-1 진동신호)가 켜지는 그 타이밍이다.
    • X86-64에는 총 16개의 레지스터가 있으니까, 하드웨어 레지스터는 총 16개가 필요하다. 그리고 이것들에 대한 묶음을 레지스터 파일이라고 한다.
      • 왜 묶어서 보관하는가? 그건 16개에 대해 모든 ALU에 다는게 에바기 때문이다. 위에 MUX, 선택기마냥 이 레지스터에서도 비트마스킹 결과처럼 연산해서 값을 얻어내는게 회로로 구현하기 훨씬 더 쉽다.
    • 따라서 그 보드 위의 레지스터를 하드웨어 레지스터, 그리고 우리가 쓰는 %rax같은걸 프로그램 레지스터라고 한다.

❔질문 사항

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🔗 참고 자료

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