[시스템 프로그래밍] 컴퓨터 시스템

 

 

 

 

 

 

컴퓨터 시스템

컴퓨터 시스템은 하드웨어와 시스템 프로그램(시스템 소프트웨어)으로 구성되며, 이들이 함께 작동하여 응용 프로그램(응용 소프트웨어)을 실행합니다.

(프로그램과 소프트웨어는 동일한 의미의며, 앞으로 두 단어를 번갈아가며 사용하여도 차이는 없다는 것을 미리 말씀드립니다.)

 

하드웨어는 프로세서, 메인 메모리, 입출력 장치들로 구성되어 있습니다.

 

시스템 소프트웨어는 컴파일러와 운영체제 등으로 구성됩니다.

 

응용 프로그램은 고급 언어로 작성됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

정보는 비트와 컨텍스트로 이루어집니다

 

소스 프로그램은 0과 1로 표시되는 비트들로 구성되어 있습니다.

프로그램의 텍스트 문자는 바이트로 나타내어지는데, 바이트는 8비트 단위로 구성됩니다.

 

대부분의 컴퓨터 시스템에서 텍스트 문자는 아스키(ASCII) 표준을 사용하여 표시합니다.

 

 

오로지 아스키 문자로만 이루어진 파일들은 텍스트 파일이라고 부르며, 이외 모든 파일들은 바이너리 파일이라고 합니다.

 

모든 정보들은 비트들로 표시되며, 이들을 오로지 이들을 바라보는 컨텍스트에 의해서 서로 다르게 구분됩니다.

 

예를 들어 어떤 일련의 바이트가 정수, 부동소수, 문자열 또는 기계어 인스트럭션(machine instruction)을 의미할 수 있는 것입니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

프로그램은 다른 프로그램에 의해 다른 형태로 번역됩니다.

 

Hello World를 출력하는 간단한 c 프로그램(hello.c)을 생각해 보겠습니다.

 

hello 프로그램은 인간이 곧바로 이해하고 읽을 수 있는 고급 C 프로그램으로 작성됩니다.

 

그러나 hello.c를 시스템에서 실행시키기 위해서는 각 문장들은 저급 기계어 인스트럭션(machine instruction)으로 번역되어야 합니다.

 

그리고 이러한 인스트럭션들은 실행가능 목적 프로그램(Executable Object Program) 혹은 실행가능 목적 파일이라 불리는 형태로 합쳐지며 바이너리 디스크 파일로 저장됩니다.

 

 

컴파일러 드라이버는 다음 명령어를 통해 소스파일을 목적 파일로 번역합니다.

gcc -o hello hello.c

 

위의 예시에서 GCC 컴파일러 드라이버는 소스파일인 hello.c를 읽어서 실행가능 목적 파일인 hello로 번역합니다.

 

번역은 4단계를 거쳐서 실행되며, 각각의 단계는 모두 다른 프로그램에 의해 실행됩니다.

 

그리고 이러한 네 단계를 실행하는 프로그램들을 컴파일 시스템이라 부릅니다.

 

컴파일 시스템

 

 

 

전처리 단계

전처리기(cpp)는 본래의 C 프로그램을 # 문자로 시작하는 directive(지령)에 따라 수정합니다.

예를 들어 전처리기는 #include<stdio.h>를 보고 stdio.h를 프로그램 문장에 직접 삽입합니다.

 

이러한 결과 일반적으로 .i로 끝나는 새로운 C 프로그램이 생성됩니다.

 

 

 

컴파일 단계

컴파일러(ccl)는 전처리가 완료된 hello.i 파일의 내용을 어셈블리어로 번역하여 어셈블리어 프로그램인 hello.s를 생성합니다.

 

 

 

 

어셈블리 단계

이후 어셈블러(as)가 hello.s를 기계어 인스트럭션으로 번역하고,

번역된 파일들을 재배치가능 목적프로그램(Relocatable Object Programs)의 형태로 묶어서 hello.o라는 목적파일에 저장합니다.

 

 

 

 

링크 단계

hello 프로그램을 예로 들면, C 컴파일러에서 제공하는 표준 C 라이브러리에 들어있는 printf 함수를 호출합니다.

printf 함수는 이미 컴파일 된 별도의 목적파일인 printf.o에 들어 있으며, 이 파일은 hello.o 파일과 어떤 형태로든 결합되어야 합니다.

 

이 과정을 링커 프로그램(ld)이 수행합니다.

 

결과로 생성된 hello 파일은 실행가능 목적파일(Executable Object Program = 실행파일)로 메모리에 적재되어 시스템에 의해 실행됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

프로세서는 메모리에 저장된 인스트럭션을 읽고 해석합니다.

hello.c 소스 프로그램은 위에서 살펴본 컴파일 시스템에 의해 hello라는 실행가능 목적파일로 번역되어 디스크에 저장되었습니다.

 

이 실행파일을 시스템에서 실행하기 위해서는 쉘(shell)에서 해당 파일 이름을 입력하여야 합니다.

linux> ./hello
hello, world
linux>

 

쉘은 명령어 라인을 입력 받아 그 명령을 실행합니다.

 

만약 위처럼 명령어 라인이 내장된 쉘 명령어가 아닌 경우 쉘은 이를 실행파일의 이름으로 판단합니다.

이후 쉘은 해당 파일을 찾아서 로딩하여 실행합니다.

 

hello 프로그램은 메세지를 화면에 출력하고 종료하지만, 쉘은 이후 다음 명령어 라인을 기다립니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

시스템의 하드웨어 구조

hello 프로그램을 실행할 때 무슨 일이 일어나는지 알기 위해서는 시스템의 하드웨어 조직을 알아야합니다.

 

하드웨어 구성도

 

 

 

하드웨어 조직은 크게 4가지(버스, 입출력 장치, 메인 메모리, CPU(프로세서))로 나눠 볼 수 있습니다.

 

 

 

 

버스(Buses)

하드웨어의 구성요소간 바이트 정보를 교환하는 통로입니다.

버스는 일반적으로 워드(word)라고 하는 고정 크기의 바이트 단위로 데이터를 전송하도록 설계됩니다.

 

한 개의 워드를 구성하는 바이트 수는 컴퓨터 시스템마다 다르며,

오늘날 대부분의 컴퓨터들은 4바이트(32비트) 혹은 8바이트(64비트)의 워드 크기를 갖습니다.

 

 

 

 

 

 

입출력 장치

입력과 출력을 담당합니다.

 

예시 그림은 4개의 입출력 장치(마우스, 키보드, 디스플레이, 디스크 드라이브)를 가지고 있으며,

실행가능 목적 파일(실행 파일)인 hello 프로그램은 디스크에 저장되어 있습니다.

 

 

 

 

 

 

메인 메모리

메인 메모리는 프로세서가 프로그램을 실행하는 동안 데이터와 프로그램을 모두 저장하는 임시 저장장치입니다.

 

 

 

 

 

 

CPU(Central Processing Unit) - 프로세서(Processor)

중앙처리장치(CPU), 간단히 프로세서는 메인 메모리에 저장된 인스트럭션들을 해독(실행)하는 엔진입니다.

 

CPU는 산술논리연산장치(ALU)와 제어장치(Control unit), 레지스터로 구성되어 있습니다.

 

프로세서의 중심에는 워드 크기의 저장장치(레지스터)인 프로그램 카운터(PC)가 있습니다.

 

프로그램 카운터는 메인 메모리의 기계어 인스트럭션의 주소를 가지고 있습니다.

 

시스템에 전원이 공급되는 순간부터 전원이 끊어질 때까지, 프로세서는 프로그램 카운터가 가리키는 곳의 인스트럭션을 반복적으로 실행하고 프로그램 카운터의 값이 다음 인스트럭션의 위치를 가리키도록 업데이트합니다.

 

이러한 반복되는 과정을 명령 주기(Instruction cycle)라 합니다.

 

 

 

 

명령 주기(Instruction cycle)

명령 주기는 대체적으로 fetch, decode, execution, store의 사이클을 가집니다.

 

fetch 단계에서는 프로세서가 PC(프로그램 카운터)가 가리키는 메모리로부터 인스트럭션(명령어)을 가져옵니다.

 

decode 단계에서는 가져온 인스트럭션을 해석하여 제어 신호를 생성합니다.

 

execution 단계에서는 가져온 인스트럭션을 실행합니다.

 

store 단계에서는 실행 결과를 저장합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

프로그램의 실행 과정

지금까지 알아보았던 내용들을 바탕으로 hello 프로그램의 실행 과정을 대략적으로 알아보도록 하겠습니다.

 

처음에 쉘 프로그램은 자신의 인스트럭션을 실행하면서 사용자가 명령을 입력하기를 기다립니다.

 

./hello가 입력되면 쉘 프로그램은 각각의 문자를 레지스터에 읽어드린 후 메인 메모리에 저장합니다.

hello 인스트럭션을 메인 메모리에 저장하는 과정

 

키보드에서 엔터키를 누르면, 쉘은 명령 입력을 끝마쳤다는 것을 알게 됩니다.

 

위에서 알아본 것과 같이 hello는 내장 인스트럭션이 아니므로, 쉘은 디스크에서 hello란 이름의 실행 파일을 찾아 파일 내의 코드와 데이터를 복사하는 일련의 인스트럭션을 실행하여 실행 파일을 디스크에서 메인 메모리로 로드합니다.

 

 

이때 직접 메모리 접근(DMA) 기법을 이용하여 데이터는 프로세서를 거치지 않고 디스크에서 메인 메모리로 직접 이동합니다.

hello 실행 파일을 디스크에서 메인 메모리로 로드하는 과정

 

 

 

 

 

 

 

hello 실행파일의 코드와 데이터가 메모리에 적재된 후, 프로세서는 hello 프로그램의 main 루틴의 기계어 인스트럭션을 실행하기 시작합니다.

 

이 인스트럭션들은 "hello, world\n" 문자열을 메인 메모리로부터 레지스터 파일로 복사하고, 거기로부터 디스플레이 장치로 전송하여 화면에 글자들이 표시됩니다.

출력 스트링을 메인 메모리에서 화면으로 출력하는 과정

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

운영체제(Operating System)는 하드웨어를 관리합니다

 

운영체제는 응용프로그램이 하드웨어를 효율적으로 사용할 수 있도록 도와주는 프로그램으로,

입출력장치, 메인 메모리, 프로세서, 소프트웨어 자원(파일시스템, 라이브러리 등)을 관리합니다.

 

운영체제를 쉽게 생각하면 하드웨어와 소프트웨어 사이에 위치한 소프트웨어 계층으로 생각할 수 있습니다.

 

컴퓨터 시스템의 계층화

 

 

운영체제의 목적은

1. 응용프로그램들이 하드웨어를 잘못 사용하는 것을 막는 것과,

2. 응용프로그램들이 단순하고 균일한 매커니즘을 사용하여 복잡한 저수준 하드웨어 장치들을 조작할 수 있도록 하는 것에 있습니다.

 

운영체제는 이 두가지 목표를 하드웨어 추상화를 통해 달성합니다.

 

운영체제의 의한 추상화로는 파일(Files), 가상 메모리(Virtual Memory), 프로세스(Processes)가 있습니다.

 

파일은 입출력장치의 추상화이며,

가상 메모리는 메인 메모리와 디스크, 입출력 장치의 추상화,

프로세스는 프로세서, 메인 메모리, 입출력장치 모두의 추상화입니다.

 

hello 예제를 다시 살펴보면, 쉘 프로그램이 hello 프로그램을 로드하고 실행했을 때와 hello 프로그램이 메시지를 출력할 때, 프로그램이 키보드나 디스플레이, 디스크나 메인 메모리에 직접 접근하지 않았습니다.

 

프로그램은 운영체제가 제공하는 서비스를 활용하여 하드웨어를 사용합니다.