[시스템 프로그래밍] 컴퓨터 시스템(컴퓨터 구조)

🤔 Computer System

시스템이란 하나의 공통적인 목적을 수행하기 위해 조직화된 요소들의 집합체라고 정의할 수 있습니다. 

컴퓨터 시스템은 조직이나 계획 그 자체로 묘사되기도 하고. 컴퓨터 시스템 내의 일부분으로 묘사되기도 합니다.

 

 

컴퓨터 시스템은 어떠한 작업을 잘 수행하기 위해 주의 깊게 선정된 부속품들인 하드웨어와, 그 컴퓨터에서 작동하는 소프트웨어 또는 프로그램으로 구성됩니다.

소프트웨어에서 가장 주된 구성요소는 운영체계이며, 컴퓨터에서 실행되는 다른 프로그램들에게 여러가지 서비스를 제공하고 관리하는 기능을 합니다

 

 

이전 글에 이어서 컴퓨터의 구조를 통해 프로그램의 실행이 어떤 방식으로 일어나는 가를 중점적으로 다뤄보겠습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🔎 변환된 프로그램의 실행

hello.c라는 소스 파일을 성공적으로 컴파일한 이후 시스템을 디스크에 저장된 hello라는 실행 가능한 개체 파일로 변환하려고 합니다.

이를 실행하기 위해서 우리는 Unix시스템에서 실행 파일의 이름을 쉘이라고 알려진 응용프로그램에 입력해야합니다.

 

 

 

 

쉘이 우리가 입력한 파일 이름을 찾아서 그것이 실행파일이라면 프로그램을 로드하여 실행합니다.

이후 hello 프로그램이 실행되면서 결과가 출력됩니다.

이후 쉘은 다음 명령을 기다리고 있게 됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🔎 전형적인 시스템의 하드웨어 구성

hello 프로그램을 실행할 때 어떤 방식으로 이뤄지는지 이해하려면 아래의 그림을 이해할 수 있어야 합니다.

아래의 그림은 최근 인텔 제품군을 모델로 한 그림입니다.

이 그림을 단계별로 분석해보겠습니다.

 

 

 

아래는 Computer Systems A Programmers Perspecive 3판의 44페이지 내용을 정리한 것입니다.

 

 

 

 

 

위와 같이 하드웨어는 버스(Buses), 입출력 장치(I/O Devices), 메인 메모리(Main Memory), 프로세서(Processor) 등으로 이뤄진 것을 알 수 있습니다.

각각을 조금 더 자세하게 설명하겠습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

버스(Buses)

버스는 시스템의 전반에 걸쳐 바이트 정보를 구성요소가 서로 교환하는 통로를 말합니다.

버스는 워드라고 알려진 고정된 사이즈의  바이트 단위로 데이터를 옮기도록 설계되었습니다.

 

그만큼 워드의 크기에 따른 바이트 수는 시스템 마다 다르며, 

현재 대부분의 컴퓨터는 4bytes 또는 8bytes의 워드 크기를 가집니다.

 

 

 

입출력 장치(I/O Devices)

입출력 장치는 외부 세계와 시스템을 연결합니다.

입출력 장치의 4가지 예시로는 사용자의 입력을 위한 키보드, 마우스와 출력을 위한 디스플레이 그리고 데이터를 오랫동안 저장하기 위한 디스크 드라이브가 있습니다.

또한 실행 가능 목적 파일인 hello 프로그램은 디스크 드라이브에 저장되어 있습니다.

 

각각의 입출력장치는 정보를 주고받는 것이 목적인 컨트롤러와 어댑터에 의해 입출력 버스와 연결되어 있습니다. 

 

 

 

 

메인 메모리(Main Memory)

메인 메모리는 프로그램과 프로세서가 프로그램을 실행하는 동안 프로그램과 데이터를 모두 저장하는 임시 저장장치입니다.

메인 메모리는 DRAM의 모음으로 구성됩니다.

 

 

 

 

프로세서(Processor) = 중앙 처리 장치(CPU)

프로세서는 메인 메모리에 저장된 명령을 해석 또는 실행하는 엔진입니다.

프로세서의 핵심에는 PC(Program Counter)라고 불리는 워드 크기의 저장장치(레지스터)가 있습니다.

 

 

프로세서의 주요 기능은 기억장치로부터 명령/데이터 호출 및 저장입니다.

 

명령의 해석은 제어장치에서 일어나며 명령의 실행은 ALU, 입출력 연산은 I/O에서 일어납니다.

 

 

프로세서는 순차회로로 만들어졌기 때문에 Clock 신호에 따라 상태가 변화합니다.

 

 

컴퓨터는 명령 주기(Instruction cycle)을 무한반복 하는데 명령 주기는 아래와 같습니다.

 

 

 

 

 

 

Instruction cycle

 

인출(fetch) : PC에 의거하여 명령어를 가져옴

해독(dccode) : 명령어를 해석하여 제어신호를 생성

실행(execution) : 가져온 명령어를 실행

결과저장(store) : 실행 결과를 저장

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🔎 프로그램 실행 과정

처음에 쉘 프로그램은 명령을 실행하고 사용자들이 다음을 입력하기를 기다리고 있습니다.

 

키보드에 ./hello 문자를 입력하면 쉘 프로그램이 아래의 그림과 같이 각각을 레지스터로 읽은 다음 메모리에 저장합니다.

 

키보드의 Enter키를 누르면 쉘은 사용자가 입력을 마쳤다는 것을 인지합니다.

 

그런 다음 쉘은 실행 가능한 hello 파일을 디스크에서 찾은 후에 메인 메모리에 복사합니다.

 

해당 데이터는 hello, world\n라고 출력될 문자열을 포함하고 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

이때 직접 메모리 접근(DMA)이라는 기술을 통해 데이터는 디스크를 거치지 않고 디스크에서 메인 메모리로 직접 이동합니다.

 

 

 

 

 

 

 

hello 실행파일의 코드와 데이터가 메모리에 로드되면 프로세서는 hello 프로그램의 메인 루틴의 기계어 명령어 실행을 시작합니다.

 

해당 명령은 메모리에서 레지스터 파일로 hello, world\n이라는 문자열의 바이트를 복사합니다.

그리고 이후 레지스터에서 디스플레이로 다시 한 번 더 복사합니다.

 

 

 

 

프로그래머의 관점에서 많은 복사는 프로그램의 실행에 걸리는 시간을 늦추기 떄문에 시스템 설계자는 이러한 작업을 최대한 빠르게 실행하는 것입니다.