[Embedded] CPU Core (CPU 코어)

CPU core는 단순히 thread를 처리하는 것 이상의 역할을 한다. 컴퓨터 시스템 내 거의 모든 연산 작업의 중심이다. 다음은 CPU core의 주요 기능과 책임 중 일부다. 이러한 기능은 CPU core 설계에 깊숙히 통합되어 있으며 컴퓨터 시스템의 전반적인 핵심 기능의 정교함은 계속 증가해 소프트웨어 및 기술의 증가하는 요구를 처리할 수 있는 고급 기능을 통합하고 있다.

 

1. 명령어 실행
   1. 주요 역할
      : core의 주요 역할을 프로그램의 명령어 집합을 실행하는 것이다. 여기에는 기본적인 연산, 데이터 관리 및 논리 연산이 포함된다. 간단한 애플리케이셩이든 운영 체제든 모든 프로그램은 CPU core가 실행하는 명령어로 세분화된다.
   2. 처리 주기
      : 각 core는 클러 주기를 기반으로 작업을 수행하며, 설계(superscalar architecture) 에 따라 주기당 여러 명령어를 실행한다.
2. 메모리 액세스 관리
   1. RAM 접근
      : core는 RAM에서 명령어와 데이터를 검색해 실행한다. 효율적인 메모리 접근은 성능에 매우 중요하며, 이는 caching 및 prefetching과 같은 메커니즘을 통해 관리된다.
   2. Cache 관리
      : 대부분의 최신 CPU core에는 처리 속도를 높이기 위해 자주 접근하는 데이터를 저장하는 내장 cache(l1, L2, 때로는 L3)가 있다. cache에 저장되는 항목을 관리하고 cache가 효율적으로 사용되도록 하는 것은 core의 핵심 작업이다.
3. 흐름 제어 (Control Flow)
   1. 분기 예측 (Branch Prediction)
      : core는 종종 실행 속도를 높이기 위해 프로그램의 흐름(예: if-else 문에서 어떤 분기를 취할지)를 예측한다. 이를 분기 예측이라고 하며, 실행이 결정적으로 필요하기 전에 실행할 명령어를 정렬하는 데 도움이 된다.
   2. 명령어 파이프라이닝
      : 최신 CPU는 파이프라이닝을 사용해 여러 실행 단계에서 여러 명령어를 동시에 처리한다. 이 파이프라인을 효과적으로 관리하는 것 역시 또 다른 핵시 역할이다.
4. 동시성 및 병렬 처리 관리
   1. Thread Scheduling
      : 운영 체제가 활성화된 thread를 관리하는 동안 core는 thread context switching을 실행하고 hyper-threading과 같은 기술을 통해 여러 thread의 실행을 처리하는 일을 담당한다.
   2. 인터럽트 처리
      : core는 입출력 작업을 위해 처리가 필요한 하드웨어 장치 등에서 프로세서에 즉각적인 주의를 기울이도록 보내는 신호인 인터럽트에 응답한다.
5. 입/출력 작업 처리
   1. 직접 메모리 액세스 (Direct Memory Access, DMA)
      : core는 종종 core 개입 없이 RAM과 다른 구성 요소(예: 하드 드라이버 또는 네트워크 카드) 간에 데이터가 직접 전송되어 core가 다른 작업을 수행할 수 있는 시간을 확보하는 DMA 작업을 시작하고 관리한다.
6. 전원 관리
   1. 성능 조정
      : CPU core는 현재 부하에 따라 성능을 조정해 에너지를 절약하기 위해 속도를 줄이거나 필요할 때 더 많은 전력을 공급하기 위해 속도를 높일 수 있다. 여기에는 Intel의 Turbo Boost 또는 AMD의 Turbo Core와 같은 기술이 포함된다.
7. 보안 기능
   1. 암호화 및 보안
      : 현재 많은 CPU core에는 하드웨어 지원 암호화, 보안 실행 환경(Intel SGX 등), 보안 부팅 프로세스 관리에 도움이 되는 기능 등의 보안 기능이 내장되어 있다.