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1. 컴퓨터 구조 (Computer Architecture)
: 컴퓨터가 효율적으로 작동할 수 있도록 하드웨어 및 소프트웨어의 기능을 고안하고, 이들을 구성하는 방법.
컴퓨터의 가능 구조에 대한 설계, 명령어 집합 구조, 마이크로 아키텍처, 기타 하드웨어 및 컴퓨팅 방법에 대한 설계 등이 포함된다.
- 컴퓨터의 기능 구조에 대한 설계: 컴퓨터가 연산을 효율적으로 하기 위해 어떤 기능들이 컴퓨터에 필요한지 고민하고 설계하는 분야. 대표적으로 폰 노이만 구조, 하버드 구조, 수정된 하버드 구조가 있다.
- 명령어 집합구조(Instruction Set Architecture): CPU의 명령어에 대한 설계. CPU가 처리해야하는 명령어를 설계하는 분야. 대표적으로 ARM, MIPS, AVR, 인텔의 x86 및 x86-64 등이 있다.
- 마이크로 아키텍처 (Micro Architecture): CPU의 하드웨어적 설계. 정의된 명령어 집합을 효율적으로 처리할 수 있도록, CPU의 회로를 설계하는 분야.
※ 컴퓨터 구조의 세부 분야
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2. 폰 노이만 구조
초기의 컴퓨터 과학자 폰 노이만은 컴퓨터에 연산, 제어, 저장의 세가지 핵심 기능이 필요하다고 생각했다.
근대의 컴퓨터는 연산과 제어를 위해 중앙처리장치(Central Processing Unit; CPU)를, 저장을 위해 기억장치(memory)를 사용한다. 그리고 장치간에 데이터나 제어 신호를 교환할 수 있도록 버스(bus)라는 전자 통로를 사용한다.
2 - 1. 중앙처리장치 (CPU)
CPU는 프로그램의 연산을 처리하고 시스템을 관리하는 컴퓨터의 두뇌이다. 프로세스의 코드를 불러오고, 실행하고, 결과를 저장하는 일련의 모든 과정이 CPU에서 일어난다. CPU는 산술/논리 연산을 처리하는 산술논리장치 (Arithmetic Logic Unit, ALU)와 CPU를 제어하는 제어장치(Control Unit), CPU에 필요한 데이터를 저장하는 레지스터(Register) 등으로 구성되어있다.
2 - 2. 기억장치 (memory)
기억장치는 컴퓨터가 동작하는데 필요한 여러 데이터를 저장하기 위해 사용되며, 용도에 따라 주기억장치와 보조기억장치로 분류된다. 주기억장치는 프로그램 실행과정에서 필요한 데이터들을 임시로 저장하기 위해 사용되며, 대표적으로 램(Random-Access Memory, RAM)이 있다. 이와 반대로 보조기억장치는 운영 체제, 프로그램 등과 같은 데이터를 장기간 보관하고자 할 때 사용된다. 대표적으로 하드 드라이브 (Hard Disk Drive, HDD), SSD(Solid State Drive)가 있다.
2 - 3. 버스 (bus)
버스는 컴퓨터 부품과 부품 사이 또는 컴퓨터와 컴퓨터 사이에 신호를 전송하는 통로를 말한다. 대표적으로 데이터가 이동하는 데이터 버스(Data Bus), 주소를 지정하는 주소 버스(Address Bus), 읽기/쓰기를 제어하는 제어 버스(Control Bus)가 있다. 이 외에도 랜선이나 데이터 전송 소프트웨어, 프로토콜 등도 버스라고 불린다.
※ 기억장치가 있는데 CPU안에 레지스터가 왜 필요한가?
CPU는 굉장히 빠른 속도로 연산을 처리하는데, 이를 위해 데이터의 빠른 교환이 필요하다. 필요한 데이터를 빠르게 공급하고, 반출할 수 있어야 자신의 효율을 제대로 발휘할 수 있다. 그런데 CPU의 연산속도가 기억장치와의 데이터 교환속도보다 압도적으로 빠르기 때문에, 기억장치만을 사용하면 병목현상*이 발생한다. 따라서 CPU는 교환속도를 획기적으로 단축하기 위해 레지스터와 캐시라는 저장장치를 내부에 갖고 있다.
* 병목현상: 시스템의 가용 자원 중 부하가 많이 걸려 전체 시스템 효율의 저하를 초래하는 현상.
3. 명령어 집합 구조 (Instruction Set Architecture; ISA)
: CPU가 해석하는 명령어의 집합.
프로그램은 기계어로 이루어져 있는데, 프로그램을 실행하면 이 명령어들을 CPU가 읽고 처리한다. 모든 컴퓨터가 동일한 수준의 연산 능력을 요구하지 않으며, 컴퓨팅 환경도 다르기 때문에 IA-32, x86-64(x64), MIPS, AVR 등 다양한 ISA가 개발되고 사용된다.
x86-64는 고성능 프로세서를 설계하기 위해 사용된다. 이를 기반으로한 CPU들은 많은 전력을 소모하며, 발열도 상대적으로 심하다. 그러므로 안정적으로 전력을 공급할 수 있고, 냉각 장치를 구비하는데 공간상의 부담이 크지 않은 데스크톱 또는 랩톱에 적합하다.
그러나 드론과 같이 배터리를 사용하거나 공유기, 인공지능 스피커처럼 크기가 작은 임베디드 기기들은 이러한 제약조건을 해결하기 어렵다. 특히 스마트폰은 피부에 닿기 때문에 발열 문제에 민감하고, 배터리로 작동하므로 고성능 프로세서를 장착하기 매우 부적합하다. 그래서 많은 임베디드 장비들은 전력 소모와 발열이 적은 ARM이나 MIPS 또는 AVR의 프로세서를 사용하고 있다.
4. x86-64 아키텍처
4 - 1. x86-64 아키텍처
- n 비트 아키텍처
64는 CPU가 한번에 처리할 수 있는 데이터의 크기이다. 컴퓨터과학에서는 이를 CPU가 이해할 수 있는 데이터의 단위라는 의미에서 WORD라고 부른다. WORD의 크기는 CPU가 어떻게 설계됐느냐에 따라 달라진다. 예를 들어, 일반적인 32비트 아키텍처에서 ALU는 32비트까지 계산할 수 있으며, 레지스터의 용량 및 각종 버스들의 대역폭이 32비트이다. 따라서 이들로 구성된 CPU는 설계 상 32비트의 데이터까지만 처리할 수 있게된다.
- WORD가 크면 유리한 점
현대의 PC는 대부분 64비트 아키텍처의 CPU를 사용하는데, 그 이유 중 하나는 32비트 아키텍처의 CPU가 제공할 수 있는 가상메모리의 크기가 작기 때문이다. 가상메모리는 CPU가 프로세스에게 제공하는 가상의 메모리 공간인데, 32비트 아키텍처에서는 4,294,967,296바이트(=4기가 바이트)가 최대로 제공 가능한 가상메모리의 크기이다. 일상적으로 사용하기에는 적절할 수 있지만, 많은 메모리 자원을 소모하는 전문 소프트웨어나 고사양의 게임 등을 실행할 때는 부족할 수 있다. 반면 64비트 아키텍처에서는 이론상 16엑사 바이트(=16,777,216 테라바이트)의 가상메모리를 제공할 수 있다. 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 않는다.
- x86-64의 여러 이름
x86-64는 Intel64, IA-32e, EM64T 또는 amd64라고 불린다.
4 - 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 사용된다. x64 아키텍처에는 범용 레지스터(General Register), 세그먼트 레지스터(Segment Register), 명령어 포인터 레지스터(Instruction Pointer Register, IP), 플래그 레지스터(Flag Register)가 존재한다.
- 범용 레지스터
범용 레지스터는 주용도는 있으나, 그 외의 다양한 용도로 사용될 수 있는 레지스터이다. x86-64에서 각각의 범용 레지스터는 8바이트를 저장할 수 있으며, 부호 없는 정수를 기준으로 264−1까지의 수를 나타낼 수 있다.
| 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 |
- 세그먼트 레지스터
x64 아키텍처에는 cs, ss, ds, es, fs, gs 총 6가지 세그먼트 레지스터가 존재하며, 각 레지스터의 크기는 16비트이다. 세그먼트 레지스터는 x64로 아키텍처가 확장되면서 용도에 큰 변화가 생긴 레지스터이다. 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 레지스터다.
- 명령어 포인터 레지스터
프로그램은 일련의 기계어 코드들로 이루어져 있다. 이 중에서 CPU가 어느 부분의 코드를 실행할지 가리키는게 명령어 포인터 레지스터의 역할이다. x64 아키텍처의 명령어 레지스터는 rip이며, 크기는 8바이트이다.
4 - 3. x86-64 아키텍처: 플래그 레지스터
플래그 레지스터는 프로세서의 현재 상태를 저장하고 있는 레지스터이다. x64 아키텍처에서는 RFLAGS라고 불리는 64비트 크기의 플래그 레지스터가 존재하며, 과거 16비트 플래그 레지스터가 확장된 것이다. 깃발을 올리고, 내리는 행위 로 신호를 전달하듯, 플래그 레지스터는 자신을 구성하는 여러 비트들로 CPU의 현재 상태를 표현한다.
RFLAGS는 64비트이므로 최대 64개의 플래그를 사용할 수 있지만, 실제로는 아래 그림의 20여개의 비트만 사용한다.
| 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. |
플래그를 사용하는 간단한 예로, 3의 값을 갖는 a와 5의 값을 갖는 b가 있을 때, a에서 b를 빼는 연산을 하면, 연산의 결과가 음수이므로 SF가 설정된다. 그러면 CPU는 SF를 통해 a가 b보다 작았음을 알 수 있다.
4 - 4. x86-64 아키텍처: 레지스터 호환
앞에서 x86-64 아키텍처는 IA-32의 64비트 확장 아키텍처이며, 호환이 가능하다고 했다. IA-32에서 CPU의 레지스터들은 32비트 크기를 가지며, 이들의 명칭은 각각 eax, ebx, ecx, edx, esi, edi, esp, ebp였다. 호환성을 위해 이 레지스터들은 x86-64에서도 그대로 사용이 가능하다.
앞서 소개한 rax, rbx, rcx, rdx, rsi, rdi, rsp, rbp가 이들의 확장된 형태이며, eax, ebx 등은 확장된 레지스터의 하위 32비트를 가리킨다. 예를 들어, eax는 rax의 하위 32비트를 의미한다.
또한 마찬가지로 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 가리킨다.
이들 중 몇몇은 다시 상위 8비트, 하위 8비트로 나뉘는데 이들 전체에 대한 내용은 하단의 그림에서 확인할 수 있다.
※ 요약
- 범용 레지스터(General Register): 주 용도는 있으나, 그 외의 용도로도 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터. x64에는 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(Flag Register): CPU의 상태를 저장하는 레지스터
- 명령어 포인터 레지스터(Instruction Pointer Register, IP): CPU가 실행해야할 코드를 가리키는 레지스터. x64에서는 rip가 있다.
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