CONTENTS
1. 컴퓨터 구조
1-1. 컴퓨터 구조의 세부 분야
1-2. 폰 노이만 구조
1-3. 명령어 집합 구조
2. x86-64 아키덱처
2-1. x86-64 아키덱처 : 범용/세그먼트/명령어 포인트 레지스터
2-2. x86-64 아키덱처 : 플래그 레지스터
2-3. x86-64 아키덱처 : 레지스터 호환
3. 요약 정리
1. 컴퓨터 구조(Computer Architecture)
- 컴퓨터가 효율적으로 작동할 수 있도록 하드웨어 및 소프트웨어의 기능을 고안하고, 이들을 구성하는 방법
- ①컴퓨터의 기능 구조에 대한 설계, ②명령어 집합구조, ③마이크로 아키텍처, 그리고 기타 하드웨어 및 컴퓨터 방법에 대한 설계 등이 포함
① 컴퓨터 기능 구조에 대한 설계 - 컴퓨터가 연산을 효율적으로 하기 위해 어떤 기능들이 컴퓨터에 필요한지 고민하고, 설계하는 분야 - 대표적으로 폰 노이만 구조, 하버드 구조, 수정된 하버드 구조 ② 명령어 집합구조(Instruction Set Architecture) - CPU의 명령어에 대한 설계로, CPU가 처리해야하는 명령어를 설계하는 분야 - 대표적으로 ARM, MIPS, AVR, 인텔의 x86 및 x86-64 등 ③ 마이크로 아키텍처(Micro Architecture) - CPU의 하드웨어적 설계 - 정의된 명령어 집합을 효율적으로 처리할 수 있도록 CPU의 회로를 설계하는 분야 |
1-1. 컴퓨터 구조의 세부 분야
● 기능 구조의 설계
- 폰 노이만 구조
- 하버드 구조
- 수정된 하버드 구조
● 명령어 집합구조
- x86, x86-64
- ARM
- MIPS
- AVR
● 마이크로 아키텍처
- 캐시 설계
- 파이프라이닝
- 슈퍼 스칼라
- 분기 예측
- 비순차적 명령어 처리
● 하드웨어 및 컴퓨팅 방법론
- 직접 메모리 접근
1-2. 폰 노이만 구조
- 폰 노이만 구조 : 연산과 제어를 위해 ①중앙처리장치를, 저장을 위해 ②기억장치를 사용, 그리고 장치간에 데이터나 제어 신호를 교환할 수 있도록 ③버스라는 전자 통로를 사용
① 중앙처리장치(Central Processing Unit, CPU)
- CPU는 프로그램의 연산을 처리하고 시스템을 관리하는 컴퓨터의 두뇌
- CPU는 산술/논리 연산을 처리하는 산술논리장치(Arithmetic Logic Unit, ALU)와 CPU를 제어하는 제어장치(Control Unit), CPU에 필요한 데이터를 저장하는 레지스터(Register) 등으로 구성
② 기억장치(Memory)
- 컴퓨터가 동작하는데 필요한 여러 데이터를 저장하기 위해 사용되며, 용도에 따라 주기억장치와 보조기억장치로 분류
- 주기억장치는 프로그램 실행과정에서 필요한 데이터들을 임시로 저장하기 위해 사용되며,
대표적으로 램(Random-Access Memory, RAM)이 있다
- 보조기억장치는 운여체제, 프로그램 등과 같은 데이터를 장기간 보관할 때 사용되며,
대표적으로 하드 드라이브(Hard Disk Drive, HDD), SSD(Solid State Drive)가 있다
③ 버스(Bus)
- 컴퓨터 부품과 부품 사이 또는 컴퓨터와 컴퓨터 사이에 신호를 전송하는 통로
- 데이터가 이동하는 데이터 버스(Data Bus), 주소를 지정하는 주소 버스(Address Bus), 읽기/쓰기를 제어하는 제어 버스(Control Bus)가 있다
- 이외에도 랜선이나 데이터 전송 소프트웨어, 프로토콜 등도 버스라고 불린다.
※ 기억장치가 있는데 CPU 안에 레지스터가 필요한 이유
▷ CPU가 필요한 데이터를 빠르게 공급하고, 반출할 수 있어야 효율을 제대로 발휘 ▷ CPU의 연산속도가 기억장치와의 데이터 교환속도보다 압도적으로 빠르기 때문에, 기억장치만을 사용하면 병목현상 발생 ▷ 따라서, CPU는 교환속도를 획기적으로 단축하기 위해 레지스터와 캐시라는 저장장치를 내장 |
1-3. 명령어 집합 구조 (Instruction Set Architecture, ISA)
- CPU가 해석하는 명령어의 집합을 의미
- ISA는 IA-32, x86-64(x64), MIPS, AVR 등으로 분류
1) x86-64
- 고성능 프로세서를 설계하기 위해 사용
- 많은 전력을 소모하며, 발열도 상대적으로 심하므로
안정적으로 전력을 공급할 수 있고, 냉각 장칠르 구비하는데 공간상의 부담이 크지 않은 데스크톱 또는 랩톱에 적합
- 아키텍처 중 인텔의 x86기반 CPU 점유율이 가장 높다
2) ARM, MIPS, AVR
- 전력 소모와 발열이 적은 임베디드 장비에 사용
- 드론과 같이 배터리를 사용하거나 공유기, 인공지능 스피커와 스마트폰과 같은 장비
2. x86-64 아키텍처
- 인텔의 32비트 CPU 아키텍처인 IA-32를 64비트 환경에서 사용할 수 있도록 확장
1) n 비트 아키텍처
- '64비트 아키텍처'의 64 또는 32는 CPU가 한번에 처리할 수 있는 데이터의 크기를 의미
(=CPU가 이해할 수 있는 데이터의 단위라는 의미에서 WORD라고 부름)
- 32비트 아키텍처의 CPU가 제공할 수 있는 가상메모리의 크기가 작기 때문에 64비트 아키텍처 사용
- 32비트 아키텍처 : 4,294,967,296바이트(=4기가 바이트)
64비트 아키텍처 : 16엑사 바이트(=16,777,216 테라바이트)
2-1. x86-64 아키텍처 : 범용/세그먼트/명령어 포인트 레지스터
1) x86-64 아키텍처 : 레지스터
- 레지스터는 CPU가 데이터를 빠르게 저장하고 사용할 때 이용하는 보관소
- 산술 연산에 필요한 데이터를 저장하거나 주소를 저장하고 참조하는 등 다양한 용도로 사용
- x64 아키텍처에는 범용 레지스터(General Register), 세그먼트 레지스터(Segment Register),
명령어 포인터 레지스터(Instruction Pointer Register, IP), 플래그 레지스터(Flag Register)
2) 범용 레지스터
- x86-64에서 각각의 범용 레지스터는 8바이트를 저장
- 자주 쓰이는 범용 레지스터들의 주용도는 아래와 같다
| 이름 | 주용도 |
| rax (accumulator register) | 함수의 반환 값 |
| rbx (base register) | 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) | 사용중인 스택의 위치를 가리키는 포인터 |
| rbp (stack base pointer) | 스택의 바닥을 가리키는 포인터 |
3) 세그먼트 레지스터
- x64 아키텍처에는 cs, ss, ds, es, fs, gs 총 6가지 세그먼트 레지스터가 존재하며, 각 레지스터 크기는 16비트
- 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 레지스터
4) 명령어 포인터 레지스터
- CPU가 어느 부분의 코드를 실행할지 가리키는게 명령어 포인터 레지스터의 역할
- x64 아키텍처의 명령어 레지스터는 rip이며, 크기는 8바이트
2-2. x86-64 아키텍처 : 플래그 레지스터
- 프로세서의 현재 상태를 저장하고 있는 레지스터
- x64 아키텍처에서는 RFLAGS라고 불리는 64비트 크기의 플래그 레지스터가 존재
- 깃발을 올리고, 내리는 행위로 신호를 전달하듯, 플래그 레지스터는 자신을 구성하는 여러 비트들로 CPU의
현재 상태를 표현
- RFLAGS 분류는 아래와 같다
| 플래그 | 의미 |
| CF(Carry Flag) | 부호 없는 수의 연산 결과가 비트의 범위를 넘을 경우 설정 됩니다. |
| ZF(Zero Flag) | 연산의 결과가 0일 경우 설정 됩니다. |
| SF(Sign Flag) | 연산의 결과가 음수일 경우 설정 됩니다. |
| OF(Overflow Flag) | 부호 있는 수의 연산 결과가 비트 범위를 넘을 경우 설정 됩니다. |
▷ 플래그 사용 예시
- 3의 값을 갖는 a와 5의 값을 갖는 b가 있을 때,
a에서 b를 빼는 연산을 하면, 연산의 결과가 음수이므로 SF가 설정된다.
따라서, CPU는 SF를 통해 a가 b보다 작았음을 알 수 있다.
2-3. x86-64 아키텍처 : 레지스터 호환
- x86-64 아키텍처는 IA-32의 64비트 확장 아키텍처이며, 호환 가능
- IA-32 : 32비트 크기의 레지스트 소유 ≫ eax, ebx, ecx, edx,esi,edi, esp, ebp
- x86-64 : 64비트 크기의 레지스트 소유 ≫ rax, rbx, rcx,rdx, rsi, rdi, rsp, rbp
3. 요약 정리
- 범용 레지스터(General Register) : 주 용도는 있으나, 그 외의 용도로도 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터. x64에서는 rax, rbx, rcx, rdx, rsi, rdi, rsp, rbp, r8-r15가 있다.
- 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 있다.
- 플래그 레지스터(Flasg Register) : CPU의 상태를 저장하는 레지스터
- 명령어 포인터 레지스터(Instruction Pointer Register, IP) : CPU가 실행해야할 코드를 가리키는 레지스터. x64에서는 rip가 있다.
※ rax, eax, ax, ah, al 비교
rax: 0x0123456789abcdef // 64비트
eax: 0x89abcdef // 32비트
ax : 0xcdef // 16비트
ah : 0xcd // ax의 상위 8비트
al : 0xef // ax의 하위 8비트
※ 본 게시글은 DREAMHACK 강의를 참조하여 작성하였습니다.
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