[dreamhack] Background: Computer Architecture

1. 컴퓨터 구조와 명령어 집합 구조

1.1 컴퓨터 구조

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 노이만은 컴퓨터에 세 가지 핵심 기능이 필요하다고 생각했습니다.

1. 연산과 제어 ➡️ 중앙처리장치(Central Processing Unit, CPU)
2. 저장 ➡️ 기억장치(memory)
3. 장치 간 데이터/제어 신호 교환 ➡️버스(bus)

 

 

 

1.2.1. 중앙처리장치🧠

CPU의 역할

프로그램의 연산을 처리하고 시스템을 관리하는 컴퓨터의 두뇌입니다. 프로세스의 코드를 불러오고, 실행하고, 결과를 저장하는 일련의 모든 과정이 CPU에서 일어납니다.

 

CPU의 구성

• 산술논리장치(Arithmetic Logic Unit, ALU) : 산술/논리 연산을 처리
• 제어장치(Control Unit) : CPU를 제어
• 레지스터(Register) : CPU에 필요한 데이터를 저장
• etc

1.2.2. 기억장치💾

용도에 따른 메모리의 분류

• 주기억장치 : 프로그램 실행과정에서 필요한 데이터들을 임시로 저장하기 위해 사용
  - 램(Random-Access Memory, RAM)
• 보조기억장치 : 운영 체제, 프로그램 등과 같은 데이터를 장기간 보관하고자 할 때 사용
  - 하드 드라이브(Hard Disk Drive, HDD), SSD(Solid State Drive)
  
  

1.2.3. 버스🚌

컴퓨터 부품과 부품 사이 또는 컴퓨터와 컴퓨터 사이에 신호를 전송하는 통로를 말합니다.

 

버스의 종류

• 데이터가 이동하는 데이터 버스(Data Bus)
• 주소를 지정하는 주소 버스(Address Bus)
• 읽기/쓰기를 제어하는 제어 버스(Control Bus)
• 랜선이나 데이터 전송 소프트웨어, 프로토콜

 

💡 기억장치가 있는데 CPU 안에 레지스터가 왜 필요한가요?

 CPU의 연산속도가 기억장치와의 데이터 교환속도보다 압도적으로 빠르기 때문에, 기억장치만을 사용한다면 병목현상이 발생합니다. 따라서 CPU는 교환속도를 단축하기 위해 내부에 레지스터와 캐시라는 저장장치를 갖고 있습니다.

 

 

1.3. 명령어 집합 구조

명령어 집합 구조(Instruction Set Architecture, ISA) : CPU가 해석하는 명령어의 집합
프로그램은 기계어로 이루어져 있는데, 프로그램을 실행하면 이 명령어들을 CPU가 읽고, 처리합니다.

명령어 집합 구조 종류

•  IA-32 , x86-64(x64), MIPS, AVR 등

 이렇게 다양한 ISA가 개발되고 사용되는 이유는 모든 컴퓨터가 동일한 수준의 연산 능력을 요구하지 않기 때문입니다.
 예를 들어, 인텔의 x86-64는 고성능 프로세서를 설계하기 위해 사용됩니다. 이를 기반으로 한 CPU들은 많은 전력을 소모하며, 발열도 상대적으로 심합니다. 그러므로 안정적으로 전력을 공급할 수 있고, 냉각 장치를 구비하는 데 공간상의 부담이 크지 않은 데스크톱 또는 랩톱에 적합합니다.
 그러나 드론과 같이 배터리를 사용하거나 공유기, 인공지능 스피커처럼 크기가 작은 임베디드 기기들은 이러한 제약조건을 해결하기 어렵습니다. 특히 스마트폰은 피부에 닿기 때문에 발열 문제에 민감하고, 배터리로 작동하므로 인텔의 고성능 프로세서를 장착하기 매우 부적합합니다. 그래서 많은 임베디드 장비들은 전력 소모와 발열이 적은 ARM이나 MIPS 또는 AVR의 프로세서를 사용하고 있습니다.

 

3. x86-64 아키텍처

 대다수의 개인용 컴퓨터들이 인텔의 x64 CPU를 사용하고 있습니다. x64 아키텍처는 인텔의 64비트 CPU 아키텍처로, 인텔의 32비트 CPU 아키텍처인 IA-32를 확장한 것입니다.


n 비트 아키텍처
 n은 CPU가 한번에 처리할 수 있는 데이터의 크기입니다. 컴퓨터과학에서는 이를 CPU가 이해할 수 있는 데이터의 단위라는 의미에서 WORD라고 부릅니다.
 WORD의 크기는 CPU에 따라 달라집니다. 예를 들어, 일반적인 32비트 아키텍처에서 ALU는 32비트까지 계산할 수 있으며, 레지스터의 용량 및 각종 버스들의 대역폭이 32비트입니다. 따라서 이들로 구성된 CPU는 설계 상 32비트의 데이터까지만 처리할 수 있게 됩니다.

 

WORD가 크면 유리한 점

• 가상메모리 : CPU가 프로세스에게 제공하는 가상의 메모리 공간

 현대의 PC는 대부분 64비트 아키텍처의 CPU를 사용하는데, 그 이유 중 하나는 32비트 아키텍처의 CPU가 제공할 수 있는 가상메모리의 크기가 작기 때문입니다. 32비트 아키텍처에서는 최대 4,294,967,296바이트(=4기가 바이트) 크기의 가상메모리 제공이 가능한데, 많은 메모리 자원을 소모하는 전문 소프트웨어 등을 실행하기엔 부족합니다.
 반면, 64비트 아키텍처에서는 이론상 16엑사 바이트(=16,777,216 테라바이트)의 가상메모리를 제공할 수 있습니다. 이는 웬만해서는 완전한 사용이 불가능할 정도로 큰 크기입니다.

 

 

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

복잡한 개발과정을 거쳤기 때문에 x86-64는 여러 이름을 갖게 됐습니다. 시스템 해킹을 하다보면 amd64라는 명칭을 자주 볼 수 있는데, x86-64와 같은 아키텍처라고 생각해도 됩니다.

 

 

3.1. 레지스터

• 범용 레지스터(General Register)
• 세그먼트 레지스터(Segment Register)
• 명령어 포인터 레지스터(Instruction Pointer Register, IP)
• 플래그 레지스터(Flag Register)

 

3.1.1. 범용 레지스터

 x86-64에서 범용 레지스터는 8바이트를 저장할 수 있으며, 부호 없는 정수를 기준으로 2^64 - 1까지의 수를 나타낼 수 있습니다. 범용 레지스터들은 주 용도가 있으나, 그 외의 용도로도 사용될 수 있습니다.

 

 자주 쓰이는 범용 레지스터는 아래와 같으며, 이 외에도 x64에는 r8, r9, ... , r15가 더 존재합니다.

 

이름	주 용도
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

 

 

3.1.2. 세그먼트 레지스터

x64 아키텍쳐에는 cs, ss, ds, es, fs, gs 총 6가지의 세그먼트 레지스터가 존재하며, 크기는 16비트입니다.

 

x64 아키텍처에서는 64비트 주소 공간을 사용하므로 매우 넓은 주소 범위를 지원합니다. 따라서 세그먼트 레지스터를 주소 확장 목적으로 사용하는 것보다는, 보다 유연하게 메모리 관리를 할 수 있게 되었습니다.

 

 

3.1.3. 명령어 포인터 레지스터

x64 아키텍처의 명령어 레지스터는 rip이며, 8바이트입니다.

 

명령어 포인터 레지스터의 역할

CPU가 어느 부분의 프로그램 코드를 실행할지를 가리키는 역할

 

3.1.4. 플래그 레지스터 

프로세서의 현재 상태를 저장하고 있는 레지스터입니다. 플래그 레지스터는 자신을 구성하는 여러 비트들로 CPU의 현재 상태를 표현합니다.

 

x64 아키텍처에서는 RFLAGS라고 불리는 64비트 크기의 플래그 레지스터가 존재하며, 과거 16비트 플래그 레지스터가 확장된 것입니다. RFLAGS는 64비트이므로 최대 64개의 플래그를 사용할 수 있지만, 실제로는 20여개의 비트만 사용합니다.

 

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