프로세서(processor), 또는 CPU로 알려진 하드웨어는 프로그램의 기계어를 처리하는 전자회로이다. 프로그램을 실행하기 위해 필요한 시스템의 다양한 작업들은 명령어 집합에 의해 정의되어 있으며, 대표적으로 x86과 ARM 계열 명령어 집합 아키텍처가 존재한다. 프로세서에서 처리하는 명령어 집합이 무엇인지에 따라 운영체제의 아키텍처가 함께 결정된다.
출처: Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer Manuals
프로세서가 처리하게 될 명령어는 일반적으로 두 가지 필드로 구성되어 있다.
- 명령 코드(일명 opcode)는 덧셈, 복사, 이동 등의 프로세서가 수행할 연산 작업을 명시한다.
- 피연산자는 opcode에 따라 아예 없거나 한 개 이상이 레지스터, 리터럴 및 상수, 또는 메모리 주소로서 활용된다.
본 문서에서는 명령어가 무엇인지 소개하며, 자세한 내용은 어셈블리 문서에서 다룬다. 만일 어떠한 명령어가 있는지 확인하고 싶다면 위의 참고 링크로부터 다운로드한 소프트웨어 개발자 매뉴얼 문서에서 Volume 2: Instruction Set Reference, A-Z를 참고한다.
다음은 단일 코어 프로세서의 구조를 다이어그램으로 보여주며, 황색 바탕의 "Processor"는 실질적인 연산을 담당하는 물리적인 프로세서 코어를 의미한다. 그리고 흑색과 적색 화살표는 각각 데이터와 제어 흐름 방향을 가리킨다.
제어 장치(Control Unit; CU)는 프로세서의 연산 작업을 지휘하는 CPU의 구성요소이다. 명령어로부터 식별된 opcode는 이진 디코더에 의해 해당 연산 작업을 수행하는데 필요한 타이밍 및 제어 신호로 변환된다. 결과적으로 CPU와 타 장치들 간 데이터 흐름을 지휘하기 위해 대부분의 컴퓨터 리소스를 관리한다.
산술 논리 장치(Arithmetic Logic Unit; ALU)는 CPU의 구성요소 중 이진 정수의 산술 및 비트 연산을 담당하면서도 실질적인 컴퓨터 연산처리에서 가장 핵심되는 장치이다.
부동소수점 연산을 담당하는 FPU가 있으나, 주로 수학 계산을 위해 사용되며 초창기 CPU에는 내장되지 않은 장치이다.
ALU는 기본적으로 opcode와 피연산자를 입력받고, 해당 opcode 작업의 결과물을 출력한다. 만일 상태 레지스터로부터 입력을 받으면 캐리, 오버플로우 여부 등의 상태가 이전 작업에서 발생하였는지 확인할 수 있으며, 현재 작업에서 발생한 상태 정보는 다시 상태 레지스터로 출력된다.
레지스터(register)는 CPU에 내장되어 프로세서가 가장 빨리 접근할 수 있는 (8비트, 16비트, 32비트 등) 비트 단위의 소규모 임시 저장공간이다. 아래 그림은 x86-64 아키텍처의 프로세서에 탑재된 레지스터들이다.
하드웨어 기능을 제어하는 제어 레지스터(CR)나 작업 상태를 나타내는 FLAGS 레지스터(RFLASG)와 같이 일부는 특수한 목적을 지닌다. 한편, 다양한 용도로 활용될 수 있는 범용 레지스터는 어셈블리 언어를 참고하도록 한다.
아래 작업 관리자에 나타난 CPU 성능 정보를 예시로 시스템에 영향을 미치는 프로세서의 규격에 대해 설명한다.
프로세서 시간(processor time), 일명 프로세서 점유(processor utilization)는 프로세스 (또는 스레드)로부터 이미지 코드를 연산하고 처리하는 데 할애한 시간이다. 프로세스의 프로세서 시간은 스케줄링이나 입출력 요청 등에 의해 대기 혹은 준비 상태에 진입하여 처리되지 않는 동안 반영되지 않는다. 일정한 간격으로 샘플링된 시간 동안 스레드가 얼마나 오래 처리되었는지를 토대로 프로세서 점유율(%)이 계산된다.
클럭 속도(clock rate 또는 clock speed), 일명 클럭 주파수(clock frequency)는 메인보드에 위치한 클럭 발생기로부터 프로세서가 작업을 수행하는데 기준이 되는 클럭 신호가 얼마나 빈번히 생성될 수 있는지 나타내는 헤르츠(Hz) 단위의 수치이다. 프로세서의 연산은 클럭 신호에 동기화되어, 주파수가 높을수록 동일한 시간동안 더 많은 작업을 수행할 수 있다. 그러나 클럭 속도는 프로세서가 초당 작업한 개수를 의미하는 게 절대 아니다.
다시 말해, 위의 작업 관리자에서 클럭 속도가 4.24 GHz로 측정되었지만 프로세서가 초당 42.4억 개의 작업을 수행한 걸 의미하는 게 아니다. 이는 한 명령어을 수행하는 데 opcode에 따라 필요한 클럭 주기가 다양하기 때문이다.
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동적 주파수 스케일링(dynamic frequency scaling)
필요에 따라 CPU 클럭 주파수가 동적으로 변하는 기술이며, 발열로 인해 전력을 절약하거나 (일명 CPU 스로틀링; CPU throttling) 작업 처리 성능을 높이기 위해 사용된다. 인텔은 전자와 후자의 경우에 대해 각각 SpeedStep 및 Turbo Boost을 소개한다.
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Processor Information\% Processor Performance: 프로세서의 성능을 가리키는 속도가 기본 속도에 비해 비율을 계산한 것으로, 100% 보다 낮거나 높은지 여부에 따라 동적 주파수 스케일링 여부를 파악할 수 있다. 위의 예시에서 % Processor Performance는 대략 114.59%이다. -
Processor Information\% Processor Utility: 프로세서 시간이 아닌 클럭 주파수를 함께 고려하여 성능에 따른 작업 처리 능률을 나타내는 수치이다. 윈도우 8부터 작업 관리자의 프로세스 및 성능 탭의 CPU 사용량은 해당 카운터가 반영된다.[출처]
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프로세서 코어(processor core)는 CPU에서 연산을 담당하는 물리적인 전자회로를 가리키며, 하나의 칩에 두 개 이상의 프로세서 코어를 가진 CPU를 멀티 코어라고 지칭한다. 프로세서 성능을 향상시키는데 클럭 속도의 기술적 제약을 극복하기 위해 하드웨어 제조사는 2005년에 처음으로 시장에 멀티 코어 CPU를 소개하였다. 멀티 코어 CPU는 여러 스레드를 동시에 처리할 수 있는 장점을 지닌다.
위의 작업 관리자는 시스템의 프로세서가 헥사코어, 즉 여섯 개의 코어를 가진 AMD Ryzen 5 5600X라고 표시하였다. 여기서 12개의 그래프 항목은 SMT에 의한 논리 프로세서 정보를 보여주는 것으로 아래 내용을 참고한다.
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동시 멀티스레딩(simultaneous multithreading; SMT)
하드웨어적 멀티스레딩을 지원하는 경우, 프로세서 코어는 매 클럭 주기마다 다수의 스레드의 명령어를 처리할 수 있다. 하나의 물리 코어가 마치 두 개 이상의 프로세서 역할을 처리하는 것처럼 보여주어, 이를 논리 프로세서(logical processor)라고 부른다. 대표적으로 인텔의 하이퍼스레딩, AMD의 Zen 마이크로아키텍처 등이 SMT에 해당한다.
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이기종 컴퓨팅(heterogeneous computing)
CPU 안에 두 개의 다른 주파수를 가진 프로세서 코어가 존재하여, 높은 주파수의 성능 위주 P-코어와 낮은 주파수의 효율 위주 E-코어로 나뉘어진다. 인텔은 이러한 하이브리드 CPU 설계를 12세대 코어 프로세서 Alder Lake부터 도입하고 있으며, 그 외에도 ARM의 DynamIQ (옛 big.LITTLE)가 대표적이다.
리얼 모드(real mode)
보호 모드(protected mode)
참고: User mode and kernel mode - Windows drivers | Microsoft Learn
보호 모드의 x86 계열 프로세서는 시스템의 데이터와 기능을 위협적인 행위나 결함으로부터 보호하는 보호 링(protection ring) 매커니즘을 사용한다.
보호 링은 시스템 운영체제의 권한 구조를 이루는 계층으로써, CPU 구조가 하드웨어적으로 어떤 모드에 있는지에 따라 권한에 의해 제한된 일부 명령어들 활용 가능여부가 결정된다. 해당 명령어들은 CPU 및 메모리와 같은 하드웨어를 직접적으로 상호작용하므로 자칫 잘못하면 시스템에 치명적인 문제를 야기한다.
윈도우 NT는 만일을 대비해 x86 계열 프로세서가 제공하는 네 개의 계층 중에서 오로지 Ring 0 그리고 Ring 3만 사용한다:
| 커널 모드 (일명 슈퍼바이저 모드) | 사용자 모드 |
|---|---|
| Ring 0 | Ring 3 |
| 시스템에 민감한 영향을 줄 수 있는 입출력 동작이나 메모리 접근에 아무런 제약을 받지 않고 아키텍처의 모든 작업을 수행할 수 있다. | 하드웨어 상호작용 및 커널 구성요소 접근에 대한 제한이 존재한다. 커널 함수가 필요하면 시스템 호출을 통해 CPU를 커널 모드로 전환해야 한다. |
| 가상 주소 공간: 커널 공간 | 가상 주소 공간: 사용자 공간 |
| 커널 및 드라이버 | 응용 프로그램의 프로세스 |
커널 모드의 프로그램 오동작은 시스템 전체에 충돌을 일으켜 블루스크린을 야기하는 원인이기 때문에 매우 신중하게 개발되어야 한다.
스케줄링(scheduling)이란, 작업(스레드)을 실행하기 위해 필요한 리소스(프로세서)를 할당시키는 행위를 가리키며, 이를 담당하는 코드를 스케줄러라고 부른다. 스케줄링 기술은 단일 코어 프로세서 시스템에서도 다수의 프로그램 및 기능을 동시에 실행하는 멀티태스킹을 가능케 한다. 스케줄되지 않은 프로세서는 유휴 프로세스의 스레드를 실행하여 (외부 인터럽트가 발생할 때까지) CPU를 중단시키는 HLT 명령을 반복적으로 수행한다.
- 다시 말해, 유휴 프로세스는 아무런 작업을 하지 않음을 의미한다. 해당 프로세스의 CPU 사용량이 90%라면 시스템 전반이 사용하는 CPU는 10%이다.
윈도우 OS에서 채택한 스케줄링 규율은 우선순위 개념이 접목된 "선점형" 라운드 로빈(preemptive round-robin)이다.
라운드 로빈이란, 모든 프로세스가 우선순위 상관없이 동일한 시간동안 균등하게 작업을 처리될 수 있는 스케줄링 알고리즘이다. 프로세스는 작업을 처리하기 위해 주어진 고정 시간, 즉 퀀텀(quantum)이란 일회성 시간제 티켓을 스케줄러로부터 할당 받는다. 퀀텀이 소진되면 프로세서는 완료 여부와 상관 없이 해당 작업을 즉시 중단하고 큐의 맨 뒤로 되돌아가 스케줄링이 될 다음 순서까지 기다린다. 한편, 프로세서는 큐에 대기하다 퀀텀을 할당 받은 다음 프로세스를 처리한다.
스케줄링 우선순위(scheduling priorities)는 프로세스 또는 스레드가 타 객체에 비해 CPU로부터 얼마나 먼저 처리되어야 하는지 알리는 필드 값이다. 우선순위 범위는 1 - 31이며 높을수록 스케줄링 최상위 우선권을 가진다. 특수한 경우의 우선순위 0은 오로지 시스템 운영 및 보안을 위한 것으로 영값 페이지 커널 스레드 등에 사용된다. 동일한 우선순위 간에는 라운드 로빈 알고리즘에 의해 공평하게 스케줄링한 다음 차우선순위로 넘어간다.
다음은 윈도우 NT 운영체제의 우선순위 체계이며, 우선순위 클래스와 레벨의 조합으로부터 각 스레드의 기초 우선순위(base priority)가 형성된다.
| 프로세스 우선순위 클래스 | 스레드 우선순위 레벨 |
|---|---|
IDLE_PRIORITY_CLASS | THREAD_PRIORITY_IDLE |
BELOW_NORMAL_PRIORITY_CLASS | THREAD_PRIORITY_LOWEST |
NORMAL_PRIORITY_CLASS | THREAD_PRIORITY_BELOW_NORMAL |
ABOVE_NORMAL_PRIORITY_CLASS | THREAD_PRIORITY_NORMAL |
HIGH_PRIORITY_CLASS | THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL |
REALTIME_PRIORITY_CLASS | THREAD_PRIORITY_HIGHEST |
| - | THREAD_PRIORITY_TIME_CRITICAL |
컨텍스트(context; 문맥)은 프로세스 및 스레드가 중단된 시점으로부터 작업을 재개하기 위해 필요한 정보들이다: 스택, 레지스터 등이 해당한다.
컨텍스트 교환(context switch)은 실행 중인 프로세스 및 스레드를 나중에 재개할 수 있도록 컨텍스트를 저장하여 대기시키고, 처리되어야 할 컨텍스트를 불러와 실행하는 절차를 가리킨다. 스케줄링과 함께 멀티태스킹을 가능하게 만드는 핵심 기능이다. 그러나 컨텍스트 교환이 너무 빈번하게 일어나면 성능 저하의 요인으로 작용할 수 있다. 프로세스보다 스레드의 컨텍스트 데이터가 더 작은 관계로, 멀티프로세스보다 멀티스레드의 컨텍스트 교환 작업이 더 빨리 이루어진다.
일반적으로 컨텍스트 교환이 이루어지는 요인으로 다음과 같다:
프로세스 상태(process state)는 생성된 프로세스가 현 시점에 어떠한 상태에 있는지 나타내며, 이에 따라 스케줄링 여부가 결정한다. 비록 "프로세스"라고 언급을 하였으나 정확히 말하면 이미지 코드를 실행하는 프로세스의 "스레드"를 가리킨다. 다음은 프로세스 상태의 각 종류마다 소개한다.
| 프로세스 상태 | 설명 |
|---|---|
| 생성 (Created; New) | 프로세스 (또는 스레드)가 생성되었을 때의 상태이다.
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| 준비 (Ready) | 스레드가 큐에서 퀀텀을 할당 받으면 즉시 프로세서를 활용할 수 있는 준비된 (유휴) 상태이다.
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| 실행 (Running) | 프로세서에 의해 퀀텀을 할당 받은 작업이 처리되는, 다시 말해 프로세스 (또는 스레드)가 실행 중인 상태이다.
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| 대기 (Waiting) | 외부로부터 특정 이벤트가 발생하기 전까지 스레드는 퀀텀을 할당 받을 수 없는 유예 상태이다.
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| 종료 (Terminated) | 프로세스 (또는 스레드)가 코드 실행 완료, 혹은 내부 코드나 외부의 강제적 요인에 의해 종료된 상태이다. |
인터럽트(interrupt), 간혹 트랩(trap)이라고도 언급되며 시스템에서 발생한 일종의 비동기 사건, 즉 이벤트가 최우선으로 처리될 수 있도록 프로세서에 요청되는 신호이다. 대표적인 예시로 마우스 커서 움직임이나 키보드 타자 입력 등이 인터럽트에 의해 처리된다. 인터럽트는 하드웨어 혹은 소프트웨어에 의해 발생될 수 있다.
| 하드웨어 인터럽트 | 소프트웨어 인터럽트 |
|---|---|
| 전달 발향: 하드웨어 & 외부 장치 → 운영체제 | 전달 방향: 운영체제 → 하드웨어 & 외부 장치 |
| 마우스, 키보드, 프린터 등의 장치가 운영체제와 통신하거나 정보를 전달하기 위해 발신하는 인터럽트이다. 운영체제는 하드웨어 인터럽트마다 각자 다른 IRQ 값을 지정하여 장치를 분별한다. | 프로세서는 INT 명령어 연산 혹은 특정 조건에 부합하면 발신되는 인터럽트이며, 일반적으로 HAL 상주하는 커널에서 수신한다. 프로그램이 실행되는 도중에 발생하는 예외도 이에 해당한다. |
인터럽트 핸들러(interrupt handler) 또는 인터럽트 서비스 루틴(interrupt service routine; ISR)은 발생한 인터럽트에 대응하는 함수를 가리킨다. 인터럽트도 제각각 용도가 다르기 때문에, 인터럽트를 처리할 수 있는 ISR 또한 다양하게 존재한다. 아래는 프로세서가 인터럽트를 처리하는 "인터럽트 서비스" 과정을 소개한다.
위의 그림을 정리하면 다음과 같다:
- 이벤트로부터 발생한 인터럽트를 전달받은 프로세서는 이를 처리하기 위해 현재 실행 중이던 스레드를 잠시 중단한다.
- 프로세서는 차후 작업을 재개할 수 있도록 중단된 스레드의 상태를 저장한다.
- 프로세서는 해당 인터럽트에 대응하는 ISR을 실행하여 이벤트를 처리한다.
- ISR이 마무리되면 프로세서는 일시적으로 중단한 스레드 실행을 재개한다.
ISR은 실행 중이던 스레드를 중단시켜 프로세서를 점유한 것이므로 최대한 빠른 시간 내에 처리되어야 한다. 그러나 ISR의 작업들이 많아질수록 인터럽트 처리 시간이 길어지는데, 이는 스레드가 재개되는 시점을 미루거나 새로운 인터럽트가 제때 처리되지 못하게 한다. 윈도우 운영체제는 DPC를 제공하므로써 이러한 문제를 해소한다.
지연 프로시저 호출(deferred procedure calls; DPC)은 큐에 대기된 작업들을 나중에 한꺼번에 처리하는 매커니즘이다.
ISR은 기존 스레드를 중단시켜 프로세서를 점유한 것이기 때문에, 원활한 스레드 재개를 위해 인터럽트 서비스는 되도록 빠른 시간 내에 완료되어야 한다. 하지만 인터럽트 핸들러가 처리하는 작업이 많아질수록 인터럽트 서비스 완료에 필요한 시간은 더 길어지게 된다. 이는 스레드가 다시 실행되는 시점을 늦추고 또 다른 인터럽트 처리를 방해하여 매끄럽지 못한 시스템 성능을 야기할 수 있다.
DPC는 필연적이지만 나중에 처리되어도 무관한 낮은 우선순위의 작업들을 실행할 수 있도록 다음 두 가지 특성을 지닌다:
- 인터럽트 서비스가 완료되면 큐에 대기된 작업들이 순서대로 처리된다.
- 인터럽트보다 낮은 IRQL을 가져 새로운 인터럽트 신호가 수신되면 DPC 처리 작업은 서비스 완료 때까지 잠시 중단된다.
과거 운영체제는 인터럽트 핸들러를 1차(First-Level Interrupt Handler; FLIH)와 2차(SLIH)로 나누었으며, 여기서 후자가 윈도우 운영체제의 DPC에 해당한다.
그러나 단일 및 누적 DPC 작업 처리 시간이 각각 20초와 120초를 초과하면 시스템은 이를 비정상 동작으로 인지하여 중지코드 0x133 DPC_WATCHDOG_VIOLATION이 발생한다.