[Dreamhack - System Hacking] STAGE 2 : Computer Architecture

컴퓨터의 다양한 부품들

• 각자 고유의 기능을 수행한다.
• CPU : 컴퓨터의 작동에 핵심이 되는 연산 처리
• 저장장치 : 데이터 저장
• GPU : 그래픽 데이터 처리
• 랜카드 : 네트워크 통신 처리
• 사운드 카드 : 소리 데이터 처리

컴퓨터 구조란?

• 컴퓨터가 하나의 기계로서 작동이 가능하도록 다양한 부품을 모아서 조립하는 기본적인 설계
• 컴퓨터의 효율적 작동을 위해 하드웨어, 소프트웨어를 구성하는 방법

명령어 집합구조(ISA) : CPU가 사용하는(해석하는) 명령어와 관련된 설계

• 다양한 환경과 요구 연산 수준으로 인해 여러가지 ISA 존재

1. x86-64, x86 (intel) = Intel64, IA-32e, EM64T, amd64

   • 고성능 → 많은 전력 소모, 심한 발열

   • WORD가 64비트인 CPU 아키텍처
     - WORD : CPU가 이해할 수 있는 데이터의 단위
     - WORD가 클수록 CPU 제공 메모리 크기 증가

   • x86-64의 레지스터
     1. 범용 레지스터(General Register) : 주 용도 외에도 다양하게 사용 가능한 레지스터
     - 각 범용 레지스터는 8바이트 저장 가능
     - 부호 없는 정수 기준 2^64 - 1까지 표현 가능
     - 자주 쓰이는 범용 레지스터
     - r → e : 하위 32bit
     - r → 없음 : 하위 16bit
     - 하위 8bit와 상위 8bit로 나누어 표현하는 H와(상위) L(하위)로 쪼개진다.

     2. 세그먼트 레지스터(Segment Register)
     - cs, ds, ss 레지스터 : 코드 영역과 데이터, 스택 메모리 영역을 가리킬 때 사용
     - es, fs, gs 레지스터 : 범용적
     - 과거 아키텍쳐의 WORD가 확장되기 이전에는 그 범위에선 접근이 불가한 주소에 접근하기 위해 사용 → 그러나, 지금은 사용 가능한 주소 영역이 넓기에 이러한 용도로는 거의 사용X
     3. 명령어 포인터 레지스터(Instruction Pointer Register, IP) : CPU가 어느 부분의 코드를 실행할지 가르킴
     - rip 레지스터 → 8byte
     4. 플래그 레지스터(Flag Register) : 프로세서의 현 상태를 저장
     - RFLAGS 레지스터 → 64bit
     - 구성하는 여러 비트들로 상태표시

2. ARM
3. MIPS
   • 2번, 3번 둘은 적은 전력 소모와 발열 → 임베디드 기기들에 적합

컴퓨터의 기능 구조에 대한 설계 : 컴퓨터 연산의 효율화를 위한 설계

• 폰노이만 구조
  • 중앙처리장치(CPU) : 프로그램의 연산을 처리하고 시스템을 관리하는 컴퓨터의 두뇌
    • 산술논리장치(ALU)
    • 제어장치(Control Unit)
    • 레지스터(Register)
      • CPU가 데이터를 빠르게 저장하고 사용 시 이용하는 보관소
      • 데이터의 빠른 교환과 병목현상 방지를 위해
      • 비슷한 역할을 하는 캐시
  • 기억장치(memory) : 컴퓨터 동작에 필요한 데이터 저장
    • 주기억장치 : 프로그램 실행과정에서 필요한 데이터 임시 저장
    • 보조기억장치 : 데이터 장기간 보관
      • EX) 운영체제, 프로그램
      • 하드드라이브
      • SSD
  • 버스(bus) : 신호 전송 통로(부품 ↔ 부품, 컴퓨터 ↔ 컴퓨터)
    • 데이터 버스
    • 주소 버스
    • 제어 버스 : 읽기/쓰기 제어
    • 랜선, 데이터 전송 소프트웨어. 프로토콜 포함
• 하버드 구조
• 수정된 하버드 구조

마이크로 아키텍처 : 정의된 명령어 집합의 효율적 처리를 위한 CPU회로 설계

• CPU의 하드웨어적 설계
• 캐시 설계
• 파이프라이닝
• 슈퍼 스칼라
• 분기 예측
• 비순차적 명령어 처리
  

기타 하드웨어 및 컴퓨팅 방법에 대한 설계

• 직접 메모리 접근