[CSAPP] Chapter 1 - A Tour of Computer Systems

nogosan·2025년 8월 10일

CSAPP 프로그래밍

CSAPP

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이 글은 전문가가 아닌 학부생이 개인 공부 목적으로 작성하는 글인 만큼, 내용상 오류 및 번역 오류가 있을 가능성이 있습니다. 참고용으로만 봐 주세요!

2025-08-15 WIP (~46p)

Chapter 1 - A Tour of Computer Systems

컴퓨터 시스템 : 하드웨어 + 시스템 소프트웨어
모든 컴퓨터 시스템은 비슷한 기능을 하는, 비슷한 소프트웨어 및 하드웨어 요소들로 구성되어 있음
Chapter 1은 아래의 hello 프로그램의 작성부터 실행까지의 과정을 살펴보며 이후에 등장할 개념들을 소개하는 구성임

#include <stdio.h>

int main()
{
	printf("hello, world\n");
	return 0;
}

1.1 Information is Bits + Context

hello 프로그램은 프로그래머가 에디터로 작성하고 텍스트 파일(hello.c)로 저장한 소스 프로그램(소스 파일)로 시작함
소스 프로그램은 0 또는 1의 값을 가지는 비트(bit)의 배열이며, 이 비트들은 8개씩(8비트씩) 묶여 1개의 바이트(byte) 단위로 구성됨

대부분 컴퓨터 시스템들은 ASCII 표준으로 문자를 나타내는데, 이때 하나의 문자는 1바이트 크기의 숫자로 표현됨
hello.c는 ASCII에 따라 아래의 표의 기준대로 저장됨

모든 바이트는 어떠한 문자(character)에 대응하는 정수 값을 저장하고 있음
이때 모든 줄은 사용자에게 보이지 않는, 10의 정수값을 가지는 개행문자(newline) \n로 끝남
hello.c와 같이 ASCII 문자로만 구성되어 있는 파일을 텍스트(text) 파일이라고 하며, 다른 모든 파일을 바이너리(binary) 파일이라고 함.

컴퓨터 시스템의 모든 정보는 비트 덩어리로 구성되어 있음
데이터 덩어리들을 구분하는 유일한 기준은 그 데이터를 보는 맥락(context)임
같은 바이트의 배열도 맥락에 따라 정수를 나타내거나, 부동소수점을 나타내거나, 문자열을 나타내거나, 기계어 명령 등을 나타낼 수 있음.

1.2 Programs Are Translated by Other Programs Into Different Forms

hello 프로그램은 인간이 읽을 수 있는 형태의 고수준(high-level) C 프로그램으로 시작함
hello.c를 컴퓨터에서 실행하려면 C언어 문장들이 다른 프로그램에 의해 저수준(low-level)인 기계어(machine-language) 명령들로 변환되어야 함
번역된 명령들은 실행 파일(executable object program)로 변환되어 바이너리 파일로 저장됨

linux> gcc -o hello hello.c

UNIX 시스템에서의 소스 파일 -> 실행 파일(오브젝트) 변환은 컴파일러 드라이버(compiler driver)가 실행함
gcc 컴파일러 드라이버는 소스 파일(hello.c)를 읽고 실행 파일 hello로 변환함

전처리기(preprocessor), 컴파일러(compiler), 어셈블러(assembler), 링커(linker) 총 4계의 단계를 거치며, 이 4단계를 합쳐서 컴파일러 시스템(compilation system)이라고 함

전처리기 과정 (Preprocessing phase)

전처리기(cpp)는 코드를 #으로 시작하는 지시문에 따라 수정함
- #include <stdio.h> 지시는 전처리기에 시스템 헤더 파일 stdio.h의 내용을 프로그램에 삽입하라는 지시임
이 과정으로 수정된 C 프로그램 (.i로 끝남)이 생성됨

컴파일러 과정 (Compilation phase)

컴파일러(cc1)은 hello.i를 hello.s로 변환하는데, 이때 hello.s는 어셈블리어 프로그램을 포함하는 텍스트 파일임
main 함수의 경우 다음과 같이 변환됨

main:
	subq $8, %rsp
	movl $.LC0, %edi
	call puts			// puts 함수 호출
	movl $0, %eax
	addq $8, %rsp
	ret

subq ~ ret는 모두 각각 1개의 기계어 명령을 텍스트 형태로 나타낸 것임

어셈블리 과정 (Compilation phase)

어셈블러(as)는 hello.s를 기계어 명령들로 변환한 후 오브젝트 파일(relocatable object program)이라는 형태로 포장해 hello.o로 저장함
hello.o는 main 함수의 명령들을 저장하는 바이너리 파일임

링크 과정 (Compilation phase)

hello.c는 C 표준 라이브러리의 printf 함수를 호출하는데, 이때 printf 함수는 printf.o라는 미리 컴파일되어 있는 다른 파일에 저장되어 있음
프로그램이 작동하려면printf.o를 hello.o랑 합쳐야 하는데, 링커(ld)가 이 합치는 과정을 담당하며, 결과물로 hello라는 실행 파일(executable)을 생성함
이 hello 파일은 이제 메모리에 탑재해 실행할 수 있음

1.3 It Pays to Understand How Compilation Systems Work

간단한 프로그램에서는 컴파일러가 보통 알아서 잘함
그러나 프로그래머들이 컴파일러 시스템의 작동 원리를 이해해야 하는 중요한 이유들이 있음

프로그램 성능 최적화 (Optimizing program performance)

현대의 컴파일러들은 대부분의 경우 좋은 코드를 출력하고, 굳이 우리가 컴파일러의 내부 구조를 알 필요는 없음
그러나, C 프로그램을 만들 때 올바른 결정을 내리기 위해서는 기계어 및 컴파일러 과정을 이해할 필요가 있음

링크 타임 오류 이해 (Understanding link-time errors)

프로그래밍에서 가장 어렵고 이해하기 어려운 오류 중 하나는 링커 오류임
일부 링커 오류는 프로그램 실행 전까지 나타나지 않기도 함

보안 실수 피하기 (Avoiding security holes)

버퍼 오버플러우(buffer overflow) 취약점은 수년 동안 네트워크 및 인터넷 분야에서 보안 이슈가 되었음
신뢰하지 않는 출처에서 온 데이터는 조심스럽게 접근하고 다룰 필요가 있음

1.4 Processors Read and Interpret Instructions Stored in Memory

위의 과정을 통해 소스 프로그램 hello.c는 실행 가능한 hello 오브젝트 파일로 바뀜
UNIX 시스템에서는 실행을 하기 위해 shell(셸)이라는 프로그램에 프로그램 이름을 입력함

linux> ./hello
hello, world
linux>

shell(셸)은 명령어 해석기로, 사용자의 명령을 입력받아 수행함
명령의 첫 번째 단어가 셸의 내장 명령이 아니면 해당 단어가 실행 파일 이름이라고 간주함
셸은 다음과 같은 과정을 반복함

1. 특정 프롬프트를 출력 (linux>)
2. 입력 대기 -> 입력 받음 (./hello)
3. 입력된 명령 수행 (hello, world)
4. -> 다시 1번부터 시작함 (>linux)

1.4.1 Hardware Organization of a System

hello 프로그램을 실행했을 때 어떤 일이 일어나는지 이해하기 위해서 일반적인 컴퓨터 시스템의 하드웨어 구조를 알아야 함
아래의 구조는 최신 Intel 시스템의 구조를 따른 것으로, 모든 컴퓨터 시스템들은 대체로 비슷한 구성을 가짐
아래 그림은 대략적인 요약임 (실제로는 더 복잡하다)

Buses (버스)

버스(bus)는 시스템 구성요소 사이에서 정보를 전달하는 전기 회로임
버스는 word(워드)라고 하는 정해진 크기의 바이트들을 단위로 정보를 전달하며, 이때 워드 1개 안에 있는 바이트 수 (= 워드 크기, word size)는 매우 중요한 시스템 변수임
현대 컴퓨터 시스템의 워드 크기는 시스템에 따라 다르지만 보통 4바이트(32비트) 또는 8바이트(64바이트)임

cf. 32비트, 64비트

컴퓨터 프로그램을 설치하다 보면 종종 설치 파일이 32비트/64비트 (혹은 x86/x64) 구분이 되어 있는 것을 볼 수 있다.

이는 워드 크기의 차이로 인한 것으로, 32비트 워드를 가진 시스템에는 32비트 설치 파일을, 64비트 시스템에는 64비트 설치 파일을 이용해야 한다.

(Windows와 같은 운영 체제에서는 64비트 시스템에서도 호환성을 위해 지원한다.)

I/O Devices (입출력 장치)

Input/Output Devices (I/O Devices, 입출력 장치)는 시스템을 외부(사용자)와 연결함
예를 들어, 위 그림에서 I/O 장치는 마우스, 키보드, 디스플레이, 디스크 드라이브 총 4개임
각각의 I/O 장치는 controller(컨트롤러) 또는 adapter(어댑터)에 의해 I/O 버스에 연결되며, 컨트롤러/어댑터는 I/O 버스와 I/O 장치 간 정보 전달을 가능하게 함
컨트롤러와 어댑터의 차이는 패키징의 여부임
- 컨트롤러는 장치에 붙어있거나 시스템의 메인 회로 (메인보드)에 장착되어 있음
- 어댑터는 메인보드에 꽂을 수 있는 형태의 장치임

Main Memory (메인 메모리)

메인 메모리(Main Memory)는 임시 저장 공간으로, 프로그램이 실행되는 동안 프로그램 그 자체및 프로그램이 다루는 데이터를 저장함
물리적으로, 메인 메모리는 DRAM(Dynamic Random Access Memory) 칩들로 구성되어 있음
논리적으로, 메인 메모리는 바이트들의 배열로, 이때 모든 칸들은 0부터 시작하는 고유한 주소(배열 인덱스)를 가짐
- (ex) [ 0x0 | 0x1 | 0x2 | 0x3 | 0x4 | 0x5 | ... ]
- 간단하게 말하자면, 프로그래밍 언어에서의 배열(array)와 같은 구조를 생각하면 됨
프로그램을 구성하는 기계어 명령은 일정한 바이트 수를 차지함
자료형에 따라 서로 다른 공간을 메모리에서 차지함 (char는 보통 1바이트, int는 보통 4바이트...)

Processor (프로세서)

프로세서(Processor/CPU)는 메인 메모리에 저장된 명령들을 해석(실행)함
프로세서의 중심에는 프로그램 카운터(Program Counter, PC)가 있음
- PC는 레지스터(register)라고 불리는 워드 사이즈 크기의 저장 장치임
- PC는 항상 메인 메모리에 저장되어 있는 어떤 기계어 명령의 주소값을 저장함
시스템이 시작될 때부터 종료될 때까지, PC는 저장되어 있는 주소값에 있는 명령을 수행한 후, 다음 명령을 수행할 수 있도록 PC에 저장된 주소 값을 업데이트하는 과정을 반복함

프로세서는 ISA(Instruction Set Architecture)라는 간단한 명령 모델에 따라 작동한다고 볼 수 있음
- 여기서 명령은 일정한 순서에 따라 실행되며 하나의 명령을 실행하려면 다음의 과정을 거쳐야 함
  1. 프로세서는 프로그램 카운터의 주소를 가지고 메모리에서 명령을 읽고 해석함
  2. 명령에서 지시하는 연산을 실행함
  3. 프로그램 카운터가 다음 명령를 지시하도록 주소값을 업데이트함
- 연산은 메인 메모리, 레지스터 파일(register file), 산술 논리 장치(ALU, Arithmetic/Logic Unit)을 통해 실행됨
  - 레지스터 파일은 워드 사이즈만큼의 크기를 가지는 레지스터 여러 개로 구성된 저장 장치로, 각각의 레지스터는 고유한 이름을 가짐
  - ALU는 데이터 및 메모리 주소값을 계산함
- 일반적으로 다음과 같은 연산이 시행됨
  - 로드(Load) : 데이터를 바이트/워드만큼 메인 메모리에서 레지스터로 복사함 (레지스터에 기존에 있던 데이터는 지워짐)
  - 저장(Store) : 데이터를 바이트/워드만큼 레지스터에서 메모리 공간으로 복사함 (메모리 상에 기존에 있던 데이터는 지워짐)
  - 계산(Operate) : 레지스터 2개의 값을 ALU로 복사해서 수학적 연산을 시행한 후 결과값을 어떠한 레지스터에 저장함 (해당 레지스터에 기존에 있던 데이터는 지워짐)
  - 점프(Jump) : 명령어 자체에서 데이터를 워드만큼 추출해서 프로그램 카운터로 복사함 (PC의 이전 주소값은 지워짐)
- 예시) A레지스터에 'n'의 값을 로드하고, B레지스터에 'm'의 값을 로드하고, A와 B의 값으로 계산을 한 결과를 C레지스터에 저장...
위에 나온 ISA는 간소화된 모델로, 실제로 최근의 프로세서는 매우 복잡한 작동 원리를 이용해 프로그램의 실행을 가속함
실제 프로세서의 구현 방식을 설명하는 것을 마이크로아키텍처(microarchitecture)라고 함.

cf. ISA란?
텍스트에서 간략하게 설명한 ISA를 조금 더 알아보기

ISA는 하드웨어와 소프트웨어 사이의 인터페이스 역할을 하며, 프로세서가 무엇을 할 수 있으며 어떻게 일을 하는지 기술함

ISA는 프로세서가 지원하는 데이터형, 프로세서의 레지스터, 하드웨어가 메모리를 관리하는 방식, 주요 프로세서 기능 (ex. 가상 메모리), 프로세서가 실행할 수 있는 명령 등을 기술함.

"프로그래머의 메뉴얼"이라고 할 수 있음

마이크로아키텍쳐는 "ISA의 구현"이라고 요약할 수 있겠음
참고: ARM 단어 목록 (Glossary)

1.4.2 Running the `hello` Program

이제 위의 설명을 바탕으로 hello 프로그램이 어떻게 작동하는지 알 수 있음
1. 셸이 입력을 받기 위해 대기 중임
2. ./hello라는 명령을 입력하면 셸은 글자를 읽어 레지스터로 이동한 후 메모리에 저장함
3. 엔터 키를 누르면 셸이 명령을 다 입력한 것으로 인식함
4. 셸은 hello 실행 파일을 로딩하며, 이때 hello 오브젝트 파일에 있는 코드와 데이터를 디스크에서 메모리로 복사함
  - 이때 데이터는 DMA(Direct Memory Access)라는 방법을 통해 CPU를 거치지 않고 디스크에서 메모리로 바로 이동함
5. 프로세서는 메모리에 있는 hello 프로그램의 기계어 명령을 실행함
6. hello, world 스트링은 메모리에서 레지스터 파일로 복사된 후 다시 출력 장치 (모니터)로 보내짐

1.5 Caches Matter

cf. 컴파일러와 printf

hello.c의 어셈블리어 출력을 보면 call puts라는 부분을 볼 수 있음

Q)hello.c에서는 분명 printf 함수를 사용했는데 왜 어셈블리어 출력에는 puts가 있는 걸까?
A) 컴파일러의 코드 최적화

puts는 문자열(char*)를 받아 그대로 출력함
printf 또한 문자열을 출력하지만, format specifier를 확인하기 위해 주어진 문자열을 파싱함 - 즉, 더 복잡한 과정을 거침
따라서, hello.c에서 hello, world\n와 같이 format specifier가 없고 개행문자로 끝나는 문자열이 출력되는 경우 컴파일러에서 자동으로 puts로 바꾸는 것
https://stackoverflow.com/questions/60080021/compiler-changes-printf-to-puts

nogosan

nogosan.exe > nogosan.log

[CSAPP] Chapter 1 - A Tour of Computer Systems

CSAPP

Chapter 1 - A Tour of Computer Systems

1.1 Information is Bits + Context

1.2 Programs Are Translated by Other Programs Into Different Forms

전처리기 과정 (Preprocessing phase)

컴파일러 과정 (Compilation phase)

어셈블리 과정 (Compilation phase)

링크 과정 (Compilation phase)

1.3 It Pays to Understand How Compilation Systems Work

프로그램 성능 최적화 (Optimizing program performance)

링크 타임 오류 이해 (Understanding link-time errors)

보안 실수 피하기 (Avoiding security holes)

1.4 Processors Read and Interpret Instructions Stored in Memory

1.4.1 Hardware Organization of a System

Buses (버스)

I/O Devices (입출력 장치)

Main Memory (메인 메모리)

Processor (프로세서)

1.4.2 Running the hello Program

1.5 Caches Matter

cf. 컴파일러와 printf

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1.4.2 Running the `hello` Program