[Dreamhack] Background: Computer Architecture

Background: Computer Architecture

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# 서론

- 컴퓨터는 각자 다른 기능을 수행하는 여러 부품들의 도움으로 작동

- CPU: 컴퓨터 작동에 핵심이 되는 연산을 처리하고, 저장 장치는 데이터를 저장

- 이외에도 GPU는 그래픽 데이터를, 랜카드는 네트워크 통신을, 사운드 카드는 소리 데이터를 처리하는 것에 특화되어 있음

- 각 부품들은 특징이 뚜렷하여 컴퓨터에서 고유의 기능을 수행함

- 서로 다른 부품들이 모여서 '컴퓨터'라는 하나의 기계로서 작동할 수 있는 것은 컴퓨터에 대한 기본 설계가 존재하기 때문

  > 설계에 맞춰서 여러 하드웨어가 개발되고, 이들을 조립해서 컴퓨터가 완성됨

  > 컴퓨터 과학에서는 이러한 설계를 '컴퓨터 구조(Computer Architecture)'라고 부름

- 명령어 집합구조(Instruction Set Architecture, ISA): 전체적인 컴퓨터 구조 중에서 특히 CPU가 사용하는 명령어와 관련된 설계

  > 가장 널리 사용되는 ISA: Intel의 x86-64 아키텍처

- 개요

• 컴퓨터 구조(Computer Architecture)
• 명령어 집합 구조(Instruction Set Architecture, ISA)
• 범용 레지스터(General Register)
• 세그먼트 레지스터(Segment Register)
• 플래그 레지스터(Flag Register)
• 명령어 포인터 레지스터(Instruction Pointer Register, IP)

 

 

# 컴퓨터 구조와 명령어 집합 구조

1. 컴퓨터 구조 💻

- 컴퓨터 구조(Computer Architecture): 컴퓨터가 효율적으로 작동할 수 있도록 하드웨어 및 소프트웨어의 기능을 고안하고, 이들을 구성하는 방법을 말함

- 컴퓨터 구조는 컴퓨터의 기능 구조에 대한 설계, 명령어 집합구조, 마이크로 아키텍처, 그리고 기타 하드웨어 및 컴퓨팅 방법에 대한 설계 등이 포함

- '컴퓨터의 기능 구조에 대한 설계': 컴퓨터가 연산을 효율적으로 하기 위해 어떤 기능들이 컴퓨터에 필요한지 고민하고, 설계하는 분야

  ex) 폰  노이만 구조, 하버드 구조, 수정된 하버드 구조

- 명령어 집합구조(Instruction Set Architecture): CPU의 명령어에 대한 설계(CPU가 처리해야하는 명령어를 설계하는 분야)

  ex) ARM, MIPS, AVR, 인텔의 x86 및 x86-64 등이 있음

- 마이크로 아키텍처(Micro Architecture): CPU의 하드웨어적 설계(정의된 명령어 집합을 효율적으로 처리할 수 있도록, CPU의 회로를 설계하는 분야)

 

2. 폰 노이만 구조

- 폰 노이만: 컴퓨터에 연산, 제어, 저장의 세 가지 핵심 기능이 필요하다고 생각함

- 근대의 컴퓨터는 연산과 제어를 위해 중앙처리장치(Central Processing Unit, CPU)를, 저장을 위해 기억장치(Memory)를 사용

- 장치간에 데이터나 제어 신호를 교환할 수 있도록 버스(bus)라는 전자 통로를 사용함

폰 노이만 구조

중앙처리장치 🧠

- CPU는 프로그램의 연산을 처리하고 시스템을 관리하는 컴퓨터의 두뇌

- 프로세스의 코드를 불러오고, 실행하고, 결과를 저장하는 일련의 모든 과정이 CPU에서 일어남

- CPU 구성

  > 산술 논리 장치(Arithmetic Logic Unit, ALU): 산술/논리 연산을 처리

  > 제어 장치(Control): CPU를 제어하는 장치

  > 레지스터(Resister): CPU에 필요한 데이터를 저장함

 

기억장치 💾

- 기억장치는 컴퓨터가 동작하는데 필요한 여러 데이터를 저장하기 위해 사용되며, 용도에 따라 주기억장치와 보조기억장치로 분류

- 주기억장치는 프로그램 실행과정에서 필요한 데이터들을 임시로 저장하기 위해 사용

  ex) 램(Random-Access Memory, RAM)

- 보조기억장치는 운영체제, 프로그램 등과 같은 데이터를 장기간 보관하고자 할 때 사용

  ex) 하드 드라이브(Hard Disk Drive, HDD), SSD(Solid State Drive)

 

버스 🚌

- 버스는 컴퓨터 부품과 부품 사이 또는 컴퓨터와 컴퓨터 사이에 신호를 전송하는 통로

  > 데이터 버스(Data Bus): 데이터가 이동

  > 주소 버스(Address Bus): 주소를 지정

  > 제어 버스(Control Bus): 읽기/쓰기를 제어

- 위의 3가지 외에도 랜선이나 데이터 전송 소프트웨어, 프로토콜 등도 버스라고 불림

 

💡 기억장치가 있는데 CPU안에 레지스터가 왜 필요한가요 ?

- CPU는 굉장히 빠른 속도로 연산을 처리하는데, 이를 위해 데이터의 빠른 교환이 필요함

- 예를 들어 사탕을 1초에 100개 생산하는 기계가 있다고 가정. 만약 이 기계에 초당 100개의 재료를 공급하지 못한다면, 재료가 공급될 때까지 대가해야 하므로 최대의 생산효율을 달성할 수 없음. 또한 완성된 사탕을 초당 100개씩 가져가지 못한다면, 결국 기계 앞에 사탕이 쌓여서 생산을 중단해야 하는 상황을 맞게 됨

- 위의 예시와 마찬가지로 CPU도 필요한 데이터를 빠르게 공급하고, 반출할 수 있어야 자신의 효율을 제대로 발휘할 수 있음

- 그런데 CPU의 연산 속도가 기억장치와 데이터 교환 속도보다 압도적으로 빠르기 때문에, 기억 장치만을 사용하면 병목현상이 발생할 수 있음

- 따라서 CPU는 교환속도를 획기적으로 단축하기 위해 레지스터와 캐시라는 저장장치를 내부에 갖고 있음

 

3. 명령어 집합 구조

- 명령어 집합 구조(Instruction Set Archtecture, ISA)란 CPU가 해석하는 명령어의 집합을 의미

- 프로그램은 기계어로 이루어져 있는데, 프로그램을 실행하면 이 명령어들을 CPU가 읽고, 처리

- ISA는 IA-32, x86-64(x64), MIPS, AVR 등 다양하게 존재

- 다양한 ISA가 개발되고 사용되는 이유는 모든 컴퓨터가 동일한 수준의 연산 능력을 요구하지 않으며, 컴퓨팅 환경도 다양하기 때문

- 예를 들어, 인텔의 x86-64는 고성능 프로세서를 설계하기 위해 사용됨

  > 이를 기반으로한 CPU들은 많은 전력을 소모하며, 발열도 상대적으로 심함

  > 그러므로 안정적으로 전력을 공급할 수 있고, 냉각 장치를 구비하느데 공간상의 부담이 크지 않은 데스크톱 또는 랩톱에 적합함

- 드론과 같은 배터리를 사용하거나 공유기, 인공지능 스피커처럼 크기가 작은 임베디드 기기들은 위와 같은 제약조건을 해결하기 어려움

  > 특히 스마트폰은 피부에 닿기 때문에 발열 문제에 민감하고, 배터리로 작동하므로 인텔의 고성능 프로세서를 장착하기 매우 부적합함

  > 그래서 많은 임베디드 장비들은 전력 소모와 발열이 적은 ARM이나 MIPS 또는 AVR의 프로세서를 사용하고 있음

 

 

# x86-64 아키텍처

1. x86-64 아키텍처

- x64 아키텍처는 인텔의 64비트 CPU 아키텍처임

- 인텔의 32비트 CPU 아키텍처인 IA-32를 64비트 환경에서 사용할 수 있도록 확장한 것으로, 대다수의 개인용 컴퓨터들이 인텔의 x64 CPU를 사용하고 있음

 

n 비트 아키텍처

- 위의 '64비트 아키텍처', '32비트 아키텍처'에서 64와 32는 CPU가 한번에 처리할 수 있는 데이터 크기

- 컴퓨터과학에서는 이를 CPU가 이해할 수 있는 데이터의 단위라는 의미에서 WORD라고 부름

- WORD의 크기는 CPU가 어떻게 설계됐느냐에 따라 달라짐

  ex) 일반적인 32비트 아키텍처에서 ALU는 32비트까지 계산할 수 있으며, 레지스터의 용량 및 각종 버스들의 대역폭이 32비트임.

  따라서 이들로 구성된 CPU는 설계 상 32비트의 데이터까지만 처리할 수 있게 됨

 

WORD가 크면 유리한 점

- 현대의 PC는 대부분 64비트 아키텍처의 CPU를 사용하는데, 그 이유 중 하나는 32비트 아키텍처의 CPU가 제공할 수 있는 가상메모리의 크기가 작기 때문임

- 가상메모리는 CPU가 프로세스에게 제공하는 가상의 메모리 공간인데, 32비트 아키텍처에서는 4GB가 최대로 제공 가능한 가상 메모리의 크기임

- 일상적으로 사용하기에는 적절할 수 있지만, 많은 메모리 자원을 소모하는 전문 소프트웨어나 고사양의 게임 등을 실행할 때는 부족할 수 있음

- 반면 64비트 아키텍처에서는 이론상 16EB(Exabyte)의 가상메모리를 제공할 수 있음

- 이는 웬만해서는 완전한 사용이 불가능할 정도로 큰 크기이기 때문에, 가용한 메모리 자원이 부족해서 소프트웨어의 최고 성능을 낼 수 없다거나 소프트웨어의 실행이 불가능한 상황은 거의 발생하지 않음

 

💡 x86-64의 여러 이름: Intel64, IA-32e, amd64, EM64T, ...

 

2. x86-64 아키텍처: 레지스터

- 레지스터는 CPU가 데이터를 빠르게 저장하고 사용할 때 이용하는 보관소이며, 산술 연산에 필요한 데이터를 저장하거나 주소를 저장하고 참조하는 등 다양한 용도로 사용됨

- x64 아키텍처에는 다음과 같은 레지스터들이 존재

 

범용 레지스터 🧺

- 범용 레지스터는 주용도는 있으나, 그 외의 다양한 용도로 사용될 수 있는 레지스터

- x86-64에서 각각의 범용 레지스터는 8바이트를 저장할 수 있으며, 부호 없는 정수를 기준으로 2^64-1까지의 수를 나타낼 수 있음

- 자주 사용되는 범용 레지스터들의 주용도는 다음과 같음

  > 이 외에도 x64에는 r8, r9, ..., r15 까지의 범용레지스터가 더 존재

이름	주용도
rax (accumulator register)	함수의 반환 값
rbx (base pointer)	x64에서는 주된 용도 없음
rcx (counter register)	반복문의 반복 횟수, 각종 연산의 시행 횟수
rdx (data register)	x64에서는 주된 용도 없음
rsi (source index)	데이터를 옮길 때 원본을 가리키는 포인터
rdi (destination index)	데이터를 옮길 때 목적지를 가리키는 포인터
rsp (stack pointer)	사용 중인 스택의 위치를 가리키는 포인터
rbp (stack base pointer)	스택의 바닥을 가리키는 포인터

 

세그먼트 레지스터 🗂️

- x64 아키텍처에는 cs, ss, ds, es, fs, gs 총 6가지의 세그먼트 레지스터가 존재하며, 각 레지스터의 크기는 16비트임

- 세그먼트 레지스터는 x64로 아키텍처가 확장되면서 용도에 큰 변화가 생긴 레지스터

- 과거 IA-32, IA-16에서는 세그먼트 레지스터를 이용하여 사용 가능한 물리 메모리의 크기를 키우려고 했음

  ex) IA-16에서는, 어떤 주소를 cs:offset라고 한다면, 실제로는 cs<<4+offset의 주소를 사용하여 16비트 범위에서

  접근할 수 없는 주소에 접근할 수 있었음

- 당시에는 범용 레지스터의 크기가 작아서 사용 가능한 메모리의 주소 폭이 좁았지만, x64에서는 사용 가능한 주소 영역이 굉장히 넓기 때문에 위와 같은 용도로는 거의 사용되지 않음

- 현대의 x64에서 cs, ds, ss 레지스터는 코드 영역과 데이터, 스택 메모리 영역을 가리킬 때 사용되고, 나머지 레지스터는 운영체제 별로 용도를 결정할 수 있도록 범용적인 용도로 제작된 세그먼트 레지스터임

 

명령어 포인터 레지스터 👇

- 프로그램은 일련의 기계어 코드들로 이루어져 있음

- 이 중에서 CPU가 어느 부분의 코드를 실행할지 가리키는게 명령어 포인터 레지스터의 역할

- x64 아키텍처의 명령어 레지스터는 rip이며, 크기는 8바이트임

 

플래그 레지스터 🏳️🏴

- 플래그 레지스터는 프로세서의 현재 상태를 저장하고 있는 레지스터

- x64 아키텍처에서는 RFLAGS라고 불리는 64비트 크기의 플래그 레지스터가 존재하며, 과거 16비트 플래그 레지스터가 확장된 것

- 깃발을 올리고, 내리는 행위로 신호를 전달하듯, 플래그 레지스터는 자신을 구성하는 여러 비트들로 CPU의 현재 상태를 표현

- RFLAGS는 64비트이므로 최대 64개의 플래그를 사용할 수 있지만, 실제로는 아래의 20여개의 비트만을 사용

- 이 중에서도 앞으로 주로 접하게 될 FLAG들은 다음과 같음

FLAG	의미
CF(Carry Flag)	부호 없는 수의 연산 결과가 비트의 범위를 넘을 경우 설정됨
ZF(Zero Flag)	연산의 결과가 0일 경우 설정됨
SF (Sign Flag)	연산의 결과가 음수일 경우 설정됨
OF (Overflow Flag)	부호 있는 수의 연산 결과가 비트 범위를 넘을 경우 설정됨

- 플래그를 사용하는 간단한 예

  ex) 3의 값을 갖는 a와 5의 값을 갖는 b가 있을 때, a에서 b를 빼는 연산을 하면, 연산의 결과가 음수이므로 SF가 설정됨

  그러면 CPU는 SF를 통해 a가 b보다 작았음을 알 수 있음

 

레지스터 호환

- x86-64 아키텍처는 IA-32의 64비트 확장 아키텍처이며, 호환이 가능함

- IA-32에서 CPU 레지스터들은 32비트 크기를 가지며, 이들의 명칭은 각각 eax, ebx, ecx, edx, esi, edi, esp, ebp 였음

- 호환성을 위해 이 레지스터들은 x86-64에서도 그대로 사용이 가능함

- 앞서 소개한 rax, rbx, rcx, rdx, rsi, rdi, rsp, rbp가 이들의 확장된 형태이며, eax, ebx 등은 확장된 레지스터의 하위 32비트를 가리킴

  ex) eax는 rax의 하위 32비트를 의미

- 과거 16비트 아키텍처인 IA-16과의 호환을 위해 ax, bx, cx, dx, si, di, sp, bp는 eax, ebx, ecx, edx, esi, edi, esp, ebp의 하위 16비트를 가짐

  > 이들 중 몇몇은 다시 상위 8비트, 하위 8비트로 나뉘는데 이들 전체에 대한 내용은 아래 그림에서 확인 가능

 

 

# 마무리

- 코스 요약 🗒️

• 범용 레지스터(General Register): 주 용도는 있으나, 그외의 용도로도 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터. x64에는 rax, rbx, rcx, rdx, rsi, rdi, rsp, rbp, r8-r15가 있음
• 세그먼트 레지스터(Segment Register): 과거에는 메모리 세그멘테이션이나, 가용 메모리 공간의 확장을 위해 사용됐으나, 현재는 주로 메모리 보호를 위해 사용되는 레지스터 x64에는 cs, ss, ds, es, fs, gs가 있음
• 플래그 레지스터(Flag Register): CPU의 상태를 저장하는 레지스터
• 명령어 포인터 레지스터(Instruction Pointer Register, IP): CPU가 실행해야 할 코드를 가리키는 레지스터, x64에는 rip가 있음

 

 

# Quiz

풀이: ah와 al은 각각 16비트 ax의 왼쪽 부분과 오른쪽 부분을 구성하기 때문에 답은 C가 됨

 

풀이: al은 ax의 오른쪽 부분을 구성하기 때문에 답은 A가 됨

 

풀이: eax는 rax의 하위 32비트를 의미하므로 답은 B가 됨

 

풀이: ah는 ax의 왼쪽 부분을 구성하기 때문에 답은 C가 됨

 

풀이: ZF 플래그는 연산의 결과가 0일 경우에 설정되므로 rax와 rbx의 대소관계는 ==임을 알 수 있으므로

답은 C가 됨