System Programming - 2. 정보의 표현 및 처리

컴퓨터에서의 데이터 표현

• 컴퓨터 내부(Memory, Register)에서 데이터가 표현되는 방식을 이해하는 것은 매우 중요합니다.
• Byte Ordering
• 프로그램 소스코드
• 프로그램 실행코드
  • char
  • int, short int, long int
  • float, double
• type casting
• 연산

바이트 값의 인코딩

• 1 Byte = 8 bits
• 00000000$_2$ to 11111111$_2$
• 0$_{10}$ to 2554$_{10}$
• 00$_{16}$ to FF$_{16}$
  '0' to '9' and 'A' to 'F' (16진법)
  FA1D37B$_{16}$는 C에서 다음과 같이 표시합니다.
  - 0xFA1D37B
  - 0xfa1d37b

컴퓨터의 워드 길이

• 정수 값의 크기를 말합니다. (주소의 길이가 되기도 하고요)
• 요즘 대부분은 64bit(8byte) 워드입니다.
  • 32bit의 경우 주소 범위가 4 GB로 제한됩니다.
  • 메모리가 많이 필요한 프로그램에서는 제약이 될 수 있습니다.
• 64bit 워드 컴퓨터는
  • 가용 주소 공간 ≈ $1.8 * 10^19$ bytes
  • x86-64 컴퓨터는 48bit 주소를 지원합니다. (256 TB)
• 컴퓨터는 다양한 데이터 타입을 지원합니다.
  • 워드의 일부분 또는 여러 워드 길이의 데이터 타입
  • 모든 데이터 타입은 바이트의 배수를 길이로 갖습니다.

워드 기반 메모리 구조

주소는 메모리에서 바이트의 위치를 지정

• 워드의 첫번째 바이트의 위치를 지정하고
• 연속된 워드의 주소는 4 또는 8 씩 증가합니다.
  

CPU의 메모리 할당 요청
32-bit: 4 bytes 할당
64-bit: 8 bytes 할당

Byte Ordering

여러 바이트로 이루어진 데이터는 어떤 순서로 저장되는가?

• Sun, Mac, 인터넷: "Big Endian"
  • LSB가 최대 주소의 위치에 기록됩니다
• x86, Android, IOS, Window를 실행하는 ARM processor: "Little Endian"
  • LSB가 최소 주소의 위치에 기록됩니다

Example

• 변수 x는 다음과 같은 4 bytes의 워드이다: 0x01234567

• x의 주소 &x는 현재 0x100이다

• Big Endian:
  0x100: 01
  0x101: 23
  0x102: 45
  0x103: 67

• Little Endian:
  0x100: 67
  0x101: 45
  0x102: 23
  0x103: 01
  

Linux에서 바이트의 출력

데이터를 바이트로 출력해주는 프로그램 작성

typedef unsigned char *pointer;

void show_bytes(pointer start, int len) {
	 int i;
     for (i = 0; i < len; i++) {
     	printf("0x%p\t0x%.2x\n", start + i, start[i]);
     }
     /* Printf Directives
     	%p: Print Pointer
     	%x: Print Hexadecimal */
     printf("\n");
}

int main() {
	int a = 15213;
    printf("int a = 15213;\n");
    show_bytes((pointer) &a, sizeof(int));
    return 0;
}

Result

C언어에서의 비트 수준 연산

비트 연산자 (&, |, ~, ^)

• 정수형 연산자에 적용 가능
• 인자들을 비트 벡터로 처리
• 인자들은 비트들끼리 연산

C언어에서의 논리 연산

비트 수준 연산자와는 다름

&& vs &, || vs |

&&, ||, !

• 0은 거짓으로 처리
• 0이 아닌 값들은 모두 참으로 처리
• 연산의 결과는 0 또는 1
• 수식의 결과가 첫번째 인자를 계산해 결정될 수 있으면 두 번째 인자는 계산하지 않습니다.

Shift 연산

Left Shift: x << y

• 비트벡터 x를 왼쪽으로 y 위치만큼 이동
  • 왼쪽에 있던 비트들은 사라집니다.
  • 오른쪽은 0으로 채웁니다.

Righe Shift: x >> y

• 비트벡터 x를 오른쪽으로 y위치만큼 이동
  • 오른쪽에 있던 비트들이 없어집니다.
• Logical Shift
  • 왼쪽을 0으로 채웁니다.
• Arithmetic Shift
  • MSB를 복제합니다.
• Undefined Behavior
  • shift의 크기가 음수이거나 word 길이보다 큰 경우는 undefined behavior 입니다.