Von Neumann architecture

주제 : 컴퓨터 구조 중 하나인 폰노이만 구조와, 관련된 기초에 대해 학습한다.

컴퓨터 구조 중 하나
거의 모든 컴퓨터는 폰노이만의 구조를 따른다.

개요

 - 폰노이만 구조는 중앙처리장치 (CPU), 메모리, 프로그램으로 구성된다.

• 폰노이만 구조 이전에는 스위치를 설치하고 전선을 연결하여 데이터를 전송하고 신호를 처리하는 식으로 프로그래밍하였다.

입출력 메커니즘

프로그램 내장방식 (Stored program)

- 중앙처리장치 (CPU) 옆에 기억장치 (memory)를 붙인 것

• 최초의 프로그램이 내장된 컴퓨터 방식이다.

• 먼저 연산의 수행과 관련된 명령어를 실행하고, 프로그램과 자료를 메모리에 저장해 놓았다가 사람이 실행시키는 명령어에 따라 순차적으로 작업을 차례로 불러내어 처리하는 방식이다.

• 기존(에니악 컴퓨터)에는 작업을 할 때마다 전기회로를 교체해야 했었다.

실행 사이클

1. 명령어 가져오기 (IF, Instruction Fetch)
   메모리로부터 명령어를 가져온다.
2. 명령어 해석 (ID, Instruction Decode)
   가져온 명령어가 어떤 명령어인지 해석한다.
3. 피연산자 인출 (OF, Operands Fetch)
   명령어를 실행하기 위한 피연산자를 메모리로부터 가져온다.
4. 명령어 실행 (EX, Instruction Execution)
   가져온 피연산자와 데이터를 가지고 명령어를 수행하고 저장한다.
5. 인터럽트 체크
   잘 실행되었는지 체크한다.

주의 : 명령어와 프로그램의 실행은 반드시 메모리에서 진행되어야 하고, CPU에서 명령어는 한번에 하나씩만 처리할 수 있다.

단점 (폰노이만 병목현상)

• CPU는 메모리에서 명령과 데이터를 불러와야 하지만, RAM과 CPU의 속도 차이로 인해 병목 현상 (CPU가 메모리의 응답까지 기다리게 된다.)이 발생하는 것을 폰노이만 병목현상이라 한다.

• 폰노이만 구조에서는 주기억장치로 DRAM을 사용하고 있는데, DRAM은 값이 싼 대신에 CPU의 동작 속도보다 현저히 느리다.

• 또한 CPU에서 메모리는 떨어져 있고 이 둘은 버스 (데이터나 전력을 전달하는 회로)로 연결되는데, 마치 외나무다리처럼 한 버스에서는 CPU가 명령어와 데이터에 동시에 접근할 수 없다.

• 위의 단점을 개선한 구조가 하버드 구조인데, 하버드 구조는 제어신호와 명령어, 데이터를 각각의 전용버스로 나눔으로써 버스의 혼잡을 줄였다.

상세구조

1. CPU (Central Processing Unit)

- 컴퓨터에서 기억, 해석, 연산, 제어라는 4대 주요 기능을 관할하는 장치

• CU와 ALU, 레지스터들로 구성되어 있다.

1.1 CU (Control Unit)

• 명령어를 해석하고, 명령의 실행을 위한 제어신호를 발생시킨다.

1.2 ALU (Ariethematic Logic Unit)

-  ALU는 CU의 신호에 따라 산술, 논리연산이 일어나는 산술논리장치이다.

1. 지정된 출발 레지스터의 내용을 ALU의 입력으로 전달한다.
2. ALU에서 그 연산을 실행한다.
3. 그 결과가 도착 레지스터에 전송된다.

• 연산 모듈은 사칙연산을, 논리 모듈은 논리연산 (AND, OR, XOR 등...)을 수행하는 부분이다.

• MUX는 여러개의 입력중에 하나를 선택하여 출력하는 회로이다.

• ALU에는 출력전/후의 값을 임시로 기억해주는 레지스터가 있다.

1.3 레지스터

- CPU가 요청을 처리하는데 필요한 데이터를 일시적으로 보관하는 기억장치

• 문제 없이 명령을 처리하기 위해 주소와 명령의 종류를 보관하기 위해서는 속도가 빨라야 한다.

• 레지스터는 크기는 작지만 CPU와 직접적으로 연결되어 있어, 연산속도가 메모리에 비해 매우 빠르다.

• CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 수 없기 때문에 메모리로 직접 데이터를 보낼 수 없다.

• 때문에 연산을 위해서는 반드시 레지스터를 거쳐야 하며, 이를 위해 레지스터는 특정 주소를 가리키거나 값을 읽어올 수 있다.

1.3.1 명령 처리에 필수적인 레지스터

1. MAR (Memory Address Register)
   메모리의 주소(번지)를 저장한다.

2. MBR (Memory Buffer Register) == MDR
   메모리로부터 읽어왔거나, 메모리에 기록할 데이터를 저장한다.

3. PC (Program Counter)
   다음번에 실행할 명령어의 위치 (번지)를 지정한다.
   PC는 독특하게 한번 읽힐 때마다 값이 1씩 증가하여 특별한 일이 없다면 순차적으로 다음 메모리에 접근할 수 있도록 되어있다.

4. IR (Instruction Register)
   현재 실행중인 명령어를 보관한다.

5. ACC (Accumulator) == 누산기
   ALU에서의 연산의 결과값을 일시적으로 보관한다.

1.4 x86, x64

• x86 이라는 단어의 뜻은 인텔(INTEL)의 CPU 시리즈 이름이자 그 CPU의 명령체계 아키텍쳐 이름이다.

1.4.1 16비트 CPU (x86-IA16) 8086, 8088

• 1978년 Intel 인텔이 최초의 16bit CPU인 8086을 발표했고, 다음 해에 좀 더 저렴한 8088 CPU를 발표했는데 미국 IBM에서 공개형 표준 PC(Personal Computer)인 IBM-PC XT 의 메인 CPU로 인텔의 8088을 채택하였다.

• 8086과 8088 중에서 CPU내부의 8086 명령어 체제를 x86 아키텍쳐(x86-IA16)라고 하였다.

• IA라는 약자는 Intel Architecture 를 뜻하고 16은 16비트라는 뜻이다.

1.4.2 32비트 CPU (x86-IA32) 80386

• 80386 은 기존 16bit 인 8086, 80286 체계와의 호환성을 버리고 32bit CPU 명령세트 및 기초를 새롭게 만든 것이며, 이것을 x86-IA32 (Intel Architecture-32) 라고 공식적으로 명명하였다.

1.4.3 64비트 CPU (IA-64, x64)

• 인텔은 2001년에 차세대 64bit CPU에 대한 개발을 계속 진행 중이었는데 최종적으로는 기존 32bit x86 호환체계를 버리고 새로운 설계를 하기로 결정한다.

• 즉, x86이라는 시리즈 꼬리표를 버리고 기존 32bit 80386 CPU의 x86-IA32와 호환되지 않는 완전히 새로운 64비트 CPU 명령세트 구조를 설계하였고 이를 IA-64 (Intel Architecture-64) 라고 호칭하였다.

• 그리고 Microsoft가 Intel에 IA-64를 간단하게 x64라고 부르는 것을 제안하면서 windows os 버전을 발표할 때 x64를 사용하기 시작했다.

1.4.4 32, 64비트 CPU (x86-64, AMD64)

• AMD는, 1999년에 기존의 인텔 32비트 x86 IA-32와 호환되는 확장형 64비트 명령세트를 설계하여 이것을 x86-64 라고 발표하고, AMD64로 이름을 바꾸면서 홍보함.

• 현재까지도 대다수의 개인용 PC에서 사용되고 있는 64bit 아키텍쳐이다.

x86-64 아키텍쳐 레지스터

• 범용 레지스터

  rax ( accumulator register ) 함수의 반환 값
  rbx ( base register ) 주된 용도 없음
  rcx ( counter register ) 반복문의 반복 횟수 , 각종 연산의 시행 횟수
  rdx ( data register ) 주된 용도 없음
  rsi ( source index ) 데이터를 옮길 때 원본을 가르키는 포인터
  rdi ( destination index ) 데이터를 옮길 때 목적지를 가르키는 포인터
  rsp ( stack pointer ) 사용중인 스택의 위치를 가르키는 포인터
  rbp ( stack base pointer ) 스택의 바닥을 가르키는 포인터

• 세그먼트 레지스터

  Stack Segment (SS). 스택을 가리킨다.
  Code Segment (CS). 코드를 가리킨다.
  Data Segment (DS). 데이터를 가리킨다.
  Extra Segment (ES). 추가적인 데이터를 가리킨다 ('Extra'의 첫 글자 'E').
  F Segment (FS). 많은 추가적인 데이터를 가리킨다 ('E' 다음은 'F').
  G Segment (GS). 더 많은 추가적인 데이터를 가리킨다 ('F' 다음은 'G').

( 현대의 x64 아키텍처에서는 cs, ds, ss 레지스터는 코드 영역과 데이터, 스택 메모리 영역을 가르킬 때 사용한다.)

• 명령어 포인터 레지스터
  CPU가 어느 부분을 실행할지 가르키는 레지스터이다.

  x64 아키텍처의 명령어 레지스터는 rip 이며 , 크기는 8바이트이다.

• 플래그 레지스터
  프로세서의 현재 상태를 저장하고 있는 레지스터

  CF ( Carry Flag ) 부호 없는 수의 연산 결과가 비트의 범위를 넘을 경우 설정
  ZF ( Zero Flag ) 연산의 결과가 0일 경우에 설정
  SF ( Sign Flag ) 연산의 결과가 음수일 경우에 설정
  OF ( Overflow Flag ) 부호 있는 수의 연산 결과가 비트 범위를 넘을 경우 설정

• 레지스터의 호환
  x86-64 아키텍처는 IA-32의 64비트 확장 아키텍처이며, 호환이 가능하다.
  

추가적으로

• windows와 Linux에서 보통 x86 이라고 부르면 32bit CPU용 OS이고, x64라고 부르면 64bit CPU용 OS 라고 통용된다.

• Linux에서 CPU가 64bit 를 지원하는데 굳이 일부러 x86용 32bit OS 윈도우나 리눅스를 설치할 필요는 없다.

• 그런데 32bit로 OS를 설치하면 레지스터 입출력이 32bit로만 동작하므로 성능이 하락하고, 더 심각한 문제는 메모리 용량 최대 4GB 한계가 발생한다.

• 왜냐하면 시스템이 처음 시작될 때 메모리를 사용하기 위해서 시스템에 장착된 모든 메모리 공간의 주소 정보를 담은 지도인 PAM (Physical Address Map) 을 만드는데, 이렇게 만들어진 PAM정보를 Windows나 Linux에 넘겨준다.

• OS는 이렇게 넘겨받은 PAM에 그 주소가 할당된 메모리만을 사용할 수 있어서 PAM에 포함되지 못한 메모리 공간은 OS에서 인식할 수도 없고, 결국 사용할 수도 없어진다.

• 여기서 32비트 체계의 할당할 수 있는 전체 메모리 공간의 개수는 2^32 * Byte = 4GB 이므로 결론적으로 32bit는 PAM에 전체 메모리 주소의 크기가 4GB의 크기를 가지게 되었다.

2. 기억장치 (메모리)

- 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록, 기억하는 장치

• CPU에서 나온 결과물을 레지스터를 통해 데이터를 메모리에 저장한다.(하드디스크 같은 보조기억장치는 해당X)

2.1 Segment

- 적재되는 데이터의 용도별로 메모리의 구획을 나눈 것

• 리눅스에서는 프로세스의 메모리를 크게 5가지의 Segment로 구분

2.1.1 Code Segment == Text Segment

- 실행 가능한 기계 코드가 위치하는 영역

• 주어지는 권한은 읽기 및 실행이다.
  왜냐하면, 프로그램이 동작하려면 코드를 실행할 수 있어야하기 때문이다.

• 만약 쓰기 권한이 있다면?
  공격자가 악의적인 코드 삽입하기 쉬움.

그래서 대부분의 현대 운영체제는 Code Segment에 쓰기 권한 부여 X

2.1.2 Data Segment

- 컴파일 시점에 값이 정해진 전역 변수 및 전역 상수

• 주어지는 권한은 읽기 및 쓰기이다. (쓰기는 일부)

• 읽기는 CPU가 이 Segment의 Data를 읽을 수 있어야하기 때문이다.

  • 가능 : 전역 변수와 같이 프로그램이 실행되면서 값이 변할 수 있는 데이터들이 위치 (Data Segment)
  • 불가능 : 프로그램이 실행되면서 값이 변하면 안되는 데이터들이 위치 (read-only data = rodata)
    o 전역으로 선언된 상수가 여기에 포함된다.

2.1.3 BSS Segment

- 컴파일 시점에 값이 정해지지 않은 전역 변수가 위치

• 개발자가 선언만 하고 초기화하지 않은 전역변수 등이 포함됨.

• BSS Segment 는 프로그램이 시작될 때, 모두 0으로 값이 초기화 됨.

• 주어지는 권한은 읽기 및 쓰기이다.

2.1.4 Stack Segment

- 프로세스의 스택이 위치하는 영역

• 함수의 인자나 지역 변수와 같은 임시 변수들이 실행중에 이곳에 저장.

- Stack Frame은 함수가 호출될 때 생성되고, 반환될 때 해제된다.

• 프로그램의 전체 실행 흐름은 사용자의 입력을 비롯한 여러 요인에 영향을 받음.

• 따라서, 어떤 프로세스가 실행될 때, 이 프로세스가 얼만큼의 Stack Frame을 사용하게 될지 예상하는 것은 일반적으로 불가능하다.

• 그래서 운영체제는 프로세스 시작 시 작은 크기의 Stack Segment 를 먼저 할당하고, 부족해질 때 마다 이를 확장한다.

• Stack은 확장될 때, 기존 주소보다 낮은 주소로 확장된다.

• printf() 라든지, scanf() 라든지, strcpy()와 같이 기본적으로 헤더파일 내부에서 제공해주는 함수들은 라이브러리 라는 영역에 있다.

• 주어지는 권한은 읽기와 쓰기이다.

추가적으로) 스택이란?

- 자료구조의 한 종류로 후입선출(Last In First Out) 이다. == LIFO 

• PUSH
  PUSH는 스택에 자료를 삽입하기 위해서 사용하는 명령으로,
  스택의 가장 위(1.DATA)에 자료가 쌓이게 된다.
  스택의 위, 아래가 헷갈리다면 Stack Frame 그림 참고.

• POP
  POP은 스택에 쌓인 자료를 꺼내기 위해서 사용하는 명령으로,
  스택의 가장 위에 있는 자료를 꺼낸다.

• PEEK
  PEEK은 스택에 샇인 자료 중
  가장 위에 쌓인 자료를 읽기 위해서 사용하는 명령이다.
  POP 명령은 데이터를 꺼냄과 동시에 삭제하는 반면에,
  PEEK 명령은 데이터를 꺼내기만 하고 삭제는 하지 않는다.

• EMPTY
  EMPTY는 스택이 비어 있다면 TRUE, 비어있지 않다면 FALSE를 리턴하는 명령이다.

• Stack Overflow
  Stack Overflow는 스택이 가득차 있을 때 PUSH 명령을 수행하면 발생하는 오류이다.

• Stack Underflow
  Stack Underflow는 스택이 비어있을 때 POP 명령을 수행하면 발생하는 오류이다.

2.1.5 Heap Segment

- Heap Data 가 위치하는 Segment.

• Stack 과 마찬가지로 실행중에 동적으로 할당될 수 있음

• C언어에서 malloc(), calloc() 등을 호출해서 할당받는 메모리 = Heap Segment에 위치.

• 주어지는 권한은 읽기와 쓰기이다.

2.2 Segment와 Section의 구분

• 프로그램이 실행될 때 비슷한 기능끼리 나눈 부분을 Segment라고 한다.
• 실행 가능한 파일의 속의 나눈 부분을 Section라고 한다.