[TIL] 컴퓨터 시스템 요약 - 1장. 컴퓨터 시스템으로의 여행 (1편)

Bryant O'Hallaron의 <컴퓨터 시스템>을 읽고 요약한 글입니다. C 언어 기준으로 작성되었습니다. 

컴퓨터 시스템

 

들어가기 전에 

컴퓨터 시스템은 하드웨어와 소프트웨어로 구성되며 이들이 함께 작동하여 응용프로그램을 실행한다. 하드웨어와 소프트웨어는 상호 의존적으로 작동한다. 소프트웨어가 하드웨어에 명령을 내리고, 하드웨어는 이 명령을 실행하여 결과를 만들어낸다. 이러한 상호작용을 통해 사용자가 원하는 작업을 수행할 수 있게 된다. 

컴퓨터 시스템의 기본 구성

1. 하드웨어:
   • 물리적인 장치들을 포함한다. 
   • 주요 구성요소로는 CPU(중앙처리장치), RAM(메모리), 하드 디스크, 마더보드 등이 있다. 
   • 입력장치(키보드, 마우스)와 출력장치(모니터, 프린터)도 포함된다. 
2. 소프트웨어:
   • 컴퓨터에서 실행되는 프로그램들이다. 
   • 운영체제(Windows, macOS, Linux 등)와 응용프로그램(워드프로세서, 웹 브라우저 등)으로 나눌 수 있다. 

1. 1 정보는 비트와 컨텍스트로 이루어진다. 

프로그램은 프로그래머가 에디터로 작성한 소스 프로그램(또는 소스파일)으로 생명을 시작하며 텍스트 파일로 저장된다. 소스 프로그램은 0 또는 1로 표시되는 비트들의 연속이며, 바이트라는 8비트 단위로 구성된다. 각 바이트는 프로그램의 텍스트 문자를 나타낸다.

hello 프로그램의 표현 과정

 

대부분의 컴퓨터 시스템은 텍스트 문자를 아스키 표준을 사용하여 표시한다. 아스키 표준은 각 문자를 바이트 길이의 정수 값으로 나타낸다. hello.c 처럼 오로지 아스키 문자들로만 이루어진 파일들은 텍스트 파일이라고 부른다. 다른 모든 파일들은 바이너리 파일이라고 한다. 

hello.c의 표시방법은 기본개념들을 분명히 보여준다 : 모든 시스템 내부의 정보- 디스크 파일, 메모리상의 프로그램, 데이터, 네트워크를 통해 전송되는 데이터-는 비트들로 표시된다. 서로 다른 객체들을 구분하는 유일한 방법은 이들을 바라보는 컨텍스트에 의해서다. 일례로 다른 컨텍스트에서는 동일한 일련의 바이트가 정수, 부동소수, 문자열 또는 기계어 명령을 의미할 수 있다.

컨텍스트에 따른 비트 해석

 

컴퓨터 내에서의 숫자 표현은 실제 수학적 개념과 차이가 있다. 이로 인해 발생할 수 있는 문제들을 프로그래머들이 이해하고 대비해야 한다. 컴퓨터는 정수를 고정된 비트 수로 표현한다. (예 : 32비트 또는 64비트) 이로 인해 표현할 수 있는 정수의 범위가 제한된다. 오버플로우(overflow)나 언더플로우(underflow)가 발생할 수 있다. 실수는 IEEE 754 표준을 따르는 부동소수점 형식으로 표현된다. 이는 실수의 근사값을 저장하는 방식이다. 정밀도의 한계로 인해 반올림 오차가 발생할 수 있다. 부동소수점 연산에서 결과가 직관과 다를 수 있다. 예를 들어, 0.1 + 0.2가 정확히 0.3이 되지 않을 수 있다. 

컴퓨터에서의 숫자 표현 한계

1. 정수 오버플로우:
   • 8비트 부호 있는 정수에서 127에 1을 더하면 -128이 되는 현상을 보여준다.
   • 이는 가장 큰 양수 값에서 오버플로우가 발생하면 가장 작은 음수가 되는 것을 나타낸다. 
2. 부동소수점 정밀도 문제:
   • 0.1과 0.2를 더했을 때 정확히 0.3이 되지 않는 현상을 보여준다.
   • 이는 이진 부동소수점 표현의 한계로 인한 것이다. 
3. 숫자 표현 범위:
   • 32비트 정수와 부동소수점 숫자의 표현 가능한 범위를 보여준다. 
   • 부동소수점의 경우 정밀도에 제한이 있음을 나타낸다. 

1. 2 프로그램은 다른 프로그램에 의해 다른 형태로 번역된다.  

 

hello 프로그램은 인간이 그 형태로 바로 이해하고 읽을 수 있기 때문에 고급 C 프로그램으로 일생을 시작한다. 그러나 hello.c를 시스템에서 실행시키려면, 각 C 문장들은 다른 프로그램들에 의해 저급 기계어 인스트럭션들로 번역되어야 한다. 이 인스트럭션들은 실행 가능 목적 프로그램이라고 하는 형태로 합쳐져서 바이너리 디스크 파일로 저장된다. 목적 프로그램은 실행가능 목적 파일이라고도 부른다. 

 

컴파일러 드라이버는 유닉스 시스템에서 다음과 같이 소스파일에서 오브젝트 파일로 번역한다. 

 

linux > gcc -o hello hello.c

 

여기서 GCC 컴파일러 드라이버는 소스 파일 hello.c를 읽어서 실행 파일인 hello로 번역한다. 번역은 4개의 단계를 거쳐서 실행된다. 이 네 단계를 실행하는 프포그램들(전처리기, 컴파일러, 어셈블러, 링커)을 합쳐서 컴파일 시스템이라고 부른다. 

 

컴파일 과정의 4단계

1. 전처리 단계 (Preprocessing): 소스 파일 hello.c의 텍스트를 전처리기(cpp)가 수정한다. #include 지시어를 실제 헤더 파일 내용으로 대체한다. 결과물은 확장된 소스 프로그램이다 (보통 .i 확장자).
2. 컴파일 단계 (Compilation): 수정된 소스 코드를 컴파일러(cc1)가 어셈블리어 프로그램으로 번역한다. 결과물은 hello.s 파일이다.
3. 어셈블리 단계 (Assembly): 어셈블러(as)가 hello.s를 기계어 인스트럭션으로 번역한다. 결과물은 재배치 가능 목적 파일 hello.o이다.
4. 링크 단계 (Linking): 링커(ld)가 hello.o와 필요한 시스템 목적 파일들을 결합한다. 최종 결과물은 실행 가능한 목적 파일 hello이다.

GCC 컴파일러 드라이버를 사용한 "Hello, World!" 프로그램의 컴파일 과정

 

GCC 컴파일러 드라이버를 사용한 "Hello, World!" 프로그램의 컴파일 과정

1. 소스 파일 (hello.c) : 프로그래머가 작성한 C 소스 코드 파일이다. 
2. 전처리기 (cpp): 소스 파일을 전처리하여 hello.i 파일을 생성한다. 주로 #include와 같은 전처리기 지시문을 처리한다.
3. 컴파일러 (cc1): 전처리된 파일을 어셈블리 코드(hello.s)로 변환한다.
4. 어셈블러 (as): 어셈블리 코드를 기계어로 변환하여 재배치 가능 목적 파일(hello.o)을 생성한다.
5. 링커 (ld): 목적 파일과 필요한 시스템 목적 파일들을 결합하여 최종 실행 파일(hello)을 생성한다.

이 과정의 주요 특징

• 각 단계는 이전 단계의 출력을 입력으로 사용한다.
• 전체 과정은 GCC 컴파일러 드라이버에 의해 관리된다.
• 시스템 목적 파일은 링크 단계에서 추가되어 최종 실행 파일에 포함된다.
• 각 중간 단계의 파일(.i, .s, .o)은 일반적으로 임시 파일로 생성되며, 컴파일 완료 후 삭제된다. 

1. 3 컴파일 시스템이 어떻게 동작하는지 이해하는 것은 중요하다. 

1. 4 프로세서는 메모리에 저장된 익스트럭션을 읽고 해석한다. 

지금까지 hello.c 소스 프로그램은 컴파일 시스템에 의해 hello 라는 실행 가능한 목적파일로 번역되어 디스크에 저장되었다. 이 실행 파일을 유닉스 시스템에서 실행하기 위해서 쉘이라는 응용 프로그램에 그 이름을 입력한다. 

linux> ./hello
hello, world
linux>

쉘은 커맨드 라인 인터프리터로 프롬프트르를 출력하고 명령어 라인을  입력 받아 그 명령을 실행한다. 만일 명령어 라인이 내장 쉘 명령어가 아니면 쉘은 실행파일의 이름으로 판단하고 그 파일을 로딩해서 실행해 준다. 그래서 이 경우에 쉘은 hello 프로그램을 로딩하고 실행한 뒤에 종료를 기다린다. hello 프로그램은 메시지를 화면에 출력하고 종료한다. 쉘은 프롬프트를 출력해주고 다음 입력 명령어 라인을 기다린다.

"./hello" 명령어가 입력되었을 때 일어나는 과정

1. 사용자가 "./hello"를 입력한다. 
2. 쉘이 이 입력을 파싱하고 "hello" 파일을 확인한다. 
3. 쉘이 exec() 시스템 콜을 사용하여 운영 체제에 실행을 요청한다. 
4. 운영 체제가 "hello" 프로그램을 메모리에 로드한다.
5. 운영 체제가 "hello" 프로그램의 실행을 시작한다. 
6. "hello" 프로그램이 "hello, world"를 출력한다. 
7. "hello" 프로그램이 exit()를 호출하여 종료를 요청한다. 
8. 운영 체제가 프로그램의 자원을 해제하고 제어를 쉘로 반환한다. 
9. 쉘이 다시 프롬프트를 출력하고 다음 명령을 기다린다.

이 과정에서 주목할 점들:

• 쉘, 운영 체제, 사용자 프로그램 간의 복잡한 상호작용이 이루어진다. 
• 운영 체제는 프로그램 실행의 중재자 역할을 한다. 
• 시스템 콜(exec(), exit())이 사용자 프로그램과 운영 체제 간의 인터페이스 역할을 한다.
• 프로세스의 생성, 실행, 종료가 체계적으로 관리된다. 

1. 4. 1 시스템의 하드웨어 조직 

hello 프로그램을 실행할 때 무슨 일이 일어나는지 설명하기 위해서는 전형적인 시스템에서의 하드웨어 구성을 이해할 필요가 있다. 

전형적인 시스템에서의 하드웨어 구성

 

하드웨어 구성 요소와 각 구성 요소의 역할

주요 구성 요소	하위 구성 요소	설명
CPU (중앙처리장치)	Register file (레지스터 파일)	데이터를 임시 저장
	PC (Program Counter)	다음 실행할 명령어의 주소를 저장
	ALU (Arithmetic Logic Unit)	산술 및 논리 연산 수행
	Bus interface (버스 인터페이스)	시스템 버스와 연결
I/O bridge (입출력 브릿지)	-	CPU와 메인 메모리, 그리고 I/O 장치들 사이의 통신을 관리
Main memory (메인 메모리)	-	프로그램과 데이터를 저장하는 주 기억장치
버스 시스템	System bus (시스템 버스)	CPU와 I/O 브릿지 연결
	Memory bus (메모리 버스)	I/O 브릿지와 메인 메모리 연결
	I/O bus (입출력 버스)	다양한 I/O 장치들과 연결
I/O 장치들	USB controller	마우스, 키보드 등 연결
	Graphics adapter	디스플레이 연결
	Disk controller	디스크 드라이브 관리
Expansion slots (확장 슬롯)	-	네트워크 어댑터 등 추가 장치를 위한 슬롯
Disk (디스크)	-	hello 실행 파일이 저장된 저장 장치

 

1. •  

1. 4. 2 hello 프로그램의 실행

 

단계	주요 구성 요소	역할	데이터 흐름
1. 프로그램 로딩	디스크 드라이브	hello 프로그램 저장	디스크 → 메인 메모리
	메인 메모리	프로그램 로드 및 저장
2. 명령어 실행	CPU - 제어 장치	명령어 해석 및 실행	메인 메모리 → CPU
	메인 메모리	명령어 제공
3. 데이터 처리	CPU - ALU	연산 수행	ALU → 레지스터/메모리
	CPU - 레지스터	임시 데이터 저장
	메인 메모리	데이터 저장
4. 출력	CPU	출력 데이터 생성	CPU → 시스템 버스 → 디스플레이
	시스템 버스	데이터 전송
	디스플레이	문자열 표시
5. 프로그램 종료	CPU	제어 반환	CPU → 운영 체제
	운영 체제	제어 수신