[혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제]01

컴퓨터 구조: 컴퓨터가 이해하는 정보(데이터/명령어)
+ 컴퓨터의 4가지 핵심 부품(CPU, 메모리, 보조기억장치, 입출력장치)

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데이터

• 숫자, 문자, 이미지, 동영상 등의 정적인 정보
• 컴퓨터와 주고 받는 / 내부에 저장된 정보
• 0과 1로 숫자/문자를 표현하는 방법

명령어

• 컴퓨터를 실질적으로 움직이는 정보
• 데이터는 명령어를 위한 일종의 재료

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CPU

메모리에 저장된 명령어를 읽고, 해석하고, 실행하는 부품

ALU: 계산기
레지스터: CPU 내부의 작은 저장 장치
제어장치: 제어 신호(메모리 읽기/쓰기와 같은 전기 신호)를 내보내고, 명령어 해석하는 장치

ALU에서 내보내는 정보

플래그 종류	의미	사용 예시
부호 플래그	연산한 결과의 부호	1: 계산 결과 음수 0: 계산 결과 양수
제로 플래그	연산 결과가 0인지 여부	1: 연산 결과 0 0: 연산 결과 !0
캐리 플래그	연산 결과 올림수나 빌림수 발생 여부	1: 발생 0: !발생
오버플로우 플래그	오버플로우 발생 여부	1: 발생 0: !발생
인터럽트 플래그	인터럽트 가능 여부	1: 가능 0: !가능
수퍼바이저 플래그	커널 모드와 사용자 모드 여부	1: 커널 모드 실행 중 0: 사용자 모드 실행 중

레지스터의 종류

레지스터의 종류	하는 일
프로그램 카운터(instruction pointer)	메모리에서 가져올 명령어의 주소
명령어 레지스터	방금 메모리에서 읽어 들인 명령어
메모리 주소 레지스터	메모리 주소(CPU가 읽고자하는 주소를 주소 버스로 보낼 때 거쳐감)
메모리 버퍼 레지스터	메모리와 주고 받을 값(데이터 버스로 주고 받을 때 거쳐감)
플래그 레지스터	연산 결과 || CPU 상태에 대한 부가적 정보
범용 레지스터	다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용
스택 포인터	주소 지정, 스택의 꼭대기 가리킴
베이스 레지스터	주소 지정, 기존 주소 저장

스택 주소 지정 방식: 스택과 스택 포인터(스택의 꼭대기를 가리킴)를 이용한 주소 지정 방식

*스택의 꼭대기를 가리키니 어디까지 채워져있는지 알 수 있음

변위 주소 지정 방식: 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 특정 레지스터(프로그램 카운터, 베이스 레지스터)의 값을 더해 유효 주소 얻음

💡용어 정리
인터럽트(interrupt): CPU가 꼭 주목해야 할 때, 얼른 처리해야 할 다른 작업이 생겼을 때 발생
동기 인터럽트(예외): 예기치 못한 상황을 접했을 때
폴트, 트랩, 중단, 소프트웨어 인터럽트
비동기 인터럽트(하드웨어 인터럽트): 주로 입출력장치에 의해 발생
알림과 같은 것, 입출력 작업 도중에 효율적으로 명령어를 처리하기 위해 사용
입출력 작업 동안 CPU는 다른 일을 할 수 있음
처리 순서: 인터럽트 요청 신호 - 인터럽트 플래그 - 인터럽트 벡터 - 인터럽트 서비스 루틴
1) 입출력창기가 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보냄
2) CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어 인출 전, 항상 인터럽트 여부 확인
3) CPU가 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트 받을 수 있는지 여부 확인
4) 인터럽트 받을 수 있으면 CPU가 지금까지의 작업 백업
5) CPU가 인터럽트 벡터 참조해 인터럽트 서비스 루틴 실행
6) 루틴 실행이 끝나면 백업해둔 작업 복구해 실행 재개

Memory

저장 담당

실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장

메모리에 저장된 값의 위치는 주소로 알 수 있음

보조기억장치

보관할 정보를 저장하는 장치

전원이 꺼져도 보관될 프로그램을 저장하는 부품

입출력장치

컴퓨터 외부에 연결되어 컴퓨터 내부와 정보를 교환할 수 있는 부품

메인보드

• 메인보드에 연결된 부품은 버스를 통해 정보를 주고 받음
• 버스는 컴퓨터의 부품끼리 정보를 주고 받는 일종의 통로
• 다양한 종류의 버스가 있음
• 컴퓨터의 핵심 부품을 연결하는 버스는 시스템 버스

시스템 버스
- 주소 버스: 주소를 주고 받는 통로
- 데이터 버스: 명령어와 데이터를 주고 받는 통로
- 제어 버스: 제어 신호를 주고 받는 통로

 

그러면, 예시 상황을 통해 컴퓨터 내부에서 어떻게 작동을 하는지 알아보자.

CPU에서 메모리의 1번지에 있는 값을 읽고 싶은 상황이다.

CPU에서 제어 신호 출발 - 읽고자 하는 1번지 주소 출발 - 시스템 버스의 제어 버스와 주소 버스를 거쳐 메모리에 도착! - 메모리에서는 1번지 + 읽기를 받고 1번지에 저장된 데이터/명령어를 다시 CPU에게 전달

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정보 단위

bit(비트) : 0과 1을 표현하는 가장 작은 정보 단위

1byte(1바이트)	8bit(8비트)
1KB(1킬로바이트)	1,000byte
1MB(1메가바이트)	1,000KB
1GB(1기가바이트)	1,000MB
1TB(1테라바이트)	1,000GB

 

word(워드) : CPU가 한 번에 처리할 수 있는 정보의 크기 단위

half word(하프 워드)	워드의 절반 크기
full word(풀 워드)	워드 크기
double word(더블 워드)	워드의 2배 크기

 

Binary(이진법)

• 0과 1로 수를 표현하는 방법
• 숫자가 1을 넘어가는 시점에 자리 올림

+ 숫자가 9을 넘어가는 시점에서 자리 올림하는 것은 Decimal(십진법)

+ 숫자가 15를 넘어가는 시점에서 자리 올림하는 것은 십육진법

십진수	...	9	10	11	12	13	14	15	16	17	...
십육진수	...	9	A	B	C	D	E	F	10	11	...

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문자 집합과 인코딩

문자 집합(character set) : 컴퓨터가 이해할 수 있는 문자 모음

인코딩(encoding) : 코드화 하는 과정 = 문자를 0과 1로 이루어진 문자 코드로 변환하는 과정

디코딩(decoding) : 코드 해석 과정 = 0과 1로 표현된 문자 코드를 문자로 변환하는 과정

* 인코딩은 쉽게 보자면 컴퓨터로 들어가는 거고, 디코딩은 컴퓨터에서 나오는 거

고급 언어와 저급 언어

고급 언어: 개발자가 이해하기 쉽게 만든 언어

#inclue <studio.h>

int main() {
	printf("Hello, World!");
    return 0;
}

저급 언어: 컴퓨터가 이해하고 실행하는 언어

* 저급 언어에는 기계어와 어셈블리어가 있음

* 기계어: 0과 1로 이루어진 명령어로 구성

* 어셈블리어: 0과 1로 이루어진 기계어를 읽기 편한 형태로 번역한 저급 언어

push rbp
mov rbp, rsp
mov DWORD PTR [rbp-4], 1
mov DWORD PTR [rbp-8], 2
mov edx, DWORD PTR [rbp-4]
mov edx, DWORD PTR [rbp-8]
add eax, edx
mov DWORD PTR [rbp-12], eax
mov eax, 0
pop rbp
ret

컴파일 언어로 작성된 소스 코드는 컴파일러에 의해서 저급 언어로 변환되고(: compile) 그 결과로 목적 코드 생성

컴파일 언어 vs 인터프리트 언어

컴파일 언어는 컴퓨터에서 소스 코드를 보내면 목적 코드를 생성해줘서 한 번에 다 번역해 가져다주는데

인터프리트 언어는 소스 코드를 한 줄씩 보기 때문에 오휴가 발생하면 실행을 중지함

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C언어 컴파일 과정

test.c Preprocessing - test.i Compiling - test.s Assebling - test.o Linking test.exe

전처리 과정(preprocessing)

• 컴파일 하기 전에 처리할 작업
• 외부에 선언된 다양한 소스 코드, 라이브러리 포함(e.g. #include)
• 프로그래밍의 편의를 위해 작성된 매크로 변환(e.g. #define)
• 컴파일할 영역 명시(e.g. #if, #ifdef, ...)

* test.c파일이 전처리 과정을 통해 test.i 파일을 생성

컴파일 과정(compiling)

• 전처리 완료되어도 여전히 소스 코드
• 전처리 완료된 소스 코드를 저급 언어(어셈블리 등)로 변환

* test.i 파일이 컴파일 과정을 통해 test.s 파일 생성

어셈블 과정(assembling)

• 어셈블리어를 기계어로 변환
• 목적 코드(object file)를 포함하는 목적 파일이 됨

*test.s 파일이 어셈블 과정을 통해 test.o 파일 생성

용어 정리
목적 파일 vs 실행 파일
둘 다 기계어로 이루어진 파일
but, 목적 파일은 linking을 거친 이후에 실행 파일이 됨

링크 과정(linking)

• 결과물로 실행 파일 생성

*test.o 파일이 링킹 과정을 통해 test.exe 파일 생성

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명령어의 구조

: 연산 코드 + 오퍼랜드

= 수행할 연산 + 연산에 사용될 데이터/데이터가 저장된 위치(무엇을 대상으로)

저장해라

10을

메모리 102번지에

*저장해라가 연산 코드 부분이고 나머지가 오퍼랜드 부분이라고 생각하면 쉬움

*오퍼랜드가 없는 경우, 여러 개인 경우가 있음

연산 코드 종류

1. 데이터 전송

MOVE: 데이터 옮기기

STORE: 메모리에 저장

LOAD(FETCH): 메모리에서 CPU로 데이터 가져오기

PUSH: 스택에 데이터 저장

POP: 스택의 최상단 데이터 가져오기

 

2. 산술/논리 연산

ADD / SUBTRACT / MULTIPLY / DIVIDE: 덧셈 / 뺄셈 / 곱셈 / 나눗셈 수행

INCREMENT / DECREMENT: 오퍼랜드에 1 더하기 / 빼기 수행

AND / OR / NOT: 연산 수행

COMPARE: 2개의 숫자 또는 true/false 값 비교

 

3. 제어 흐름 변경

JUMP: 특정 주소로 실행 순서 옮기기

CONDITIONAL JUMP: 조건에 부합할 때, 특정 주소로 실행 순서 옮기기

HALT: 프로그램 실행 멈추기

CALL: 되돌아올 주소 저장한 채로 특정 주소로 실행 순서 옮기기

RETURN: CALL을 호출할 때 저장했던 주소로 되돌아가기

 

4. 입출력 제어

READ(INPUT): 특정 입출력 장치로부터 데이터 읽기

WRITE(OUTPUT): 특정 입출력 장치로부터 데이터 쓰기

START IO: 입출력 장치 시작

TEST IO: 입출력 장치 상태 확인

명령어 주소 지정 방식

1. 유효 주소(effective address)

: 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치

 

2. 명령어 주소 지정 방식(addressing modes)

: 유효 주소를 찾는 방법

 

3. 즉시 주소 지정 방식(immediate addressing mode)

: 연산에 사용할 데이터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시

: 가장 간단한 형태

: 연산에 사용할 데이터 크기는 작을 수 있지만, 빠름

 

4. 간접 주소 지정 방식(indirect addressing mode)

: 오퍼랜드 필드에 유효 주소의 주소 명시

: 상대적으로 속도 느림

 

5. 레지스터 주소 지정 방식(register addressing mode)

: 연산에 사용할 데이터가 저장된 레지스터 명시

: 메모리 접근 속도보다 레지스터에 접근하는 것이 빠름

 

6. 레지스터 간접 주소 지정 방식(register indirect addressing mode)
: 연산에 사용할 데이터를 메모리에 저장

: 해당 주소를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 명시

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