Chap1. A tour of Computer Systems

간단한 Hello World 프로그램으로 살펴보는 전반적인 흐름

1. 소스 코드 작성

#include <stdio.h>

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

• 프로그래머가 작성하는 코드는 텍스트 파일이지만 결국 byte의 집합임(ASCII 코드를 통해 각각의 문자가 integer 값으로 매핑되고 해당 integer값이 byte로 저장)
• 텍스트 파일이 아닌 모든 다른 파일들은 binary files

• 시스템의 모든 정보들(disk files, 메모리에 저장되어 있는 프로그램, 메모리에 저장되어 있는 유저 정보, network에 의해 전송되는 데이터)은 bit의 덩어리로 표현된다. 다른 데이터 오브젝트들과 구분되게 만드는 점은 우리가 그것을 보는 맥락에 따라 다른 것임

2. 컴파일(Chap7 linking)

• 우리가 작성한 코드를 시스템에서 돌리기 위해서는 해당 코드를 저수준의 기계어 instruction sequence로 번역을 해야 함

• 이 기계어 instruction의 sequence는 그 후 패키징이 되게 되는데 이를 executable object program(=executable object files) 라고 하고 binary disk file로 저장됨

gcc -o hello hello.c

컴파일 시스템이 동작하는 방식에 대해 이해하면 좋은점

1. 프로그램의 성능을 최적화 할 수 있음. 컴파일러가 어떻게 해당 코드를 기계어로 번역하는지를 이해하면 더 좋은 성능이 어떤 코드인지를 알 수 있음
• switch 가 if else보다 나은지
• while loop 가 for loop 보다 효율적인지

2. link-time error를 이해할 수 있다 ( Chap 7 )
• linker가 reference를 찾을 수 없다고 할 때 그게 무슨 의미인지
• static variable과 global variable의 차이
• static library ↔ dynamic lib 의 차이

3. 보안 구멍을 피할 수 있다
• buffer overflow vulnerabilites는 계속해서 존재해 왔다.
• secure programming의 첫 단계는 데이터와 제어정보가 프로그램 스택에 쌓이는 것의 결과에 대해 이해하는 것임 (Chap 3)

3. shell에서 해당 executable object file을 실행 ( processor가 메모리에 저장된 instruction을 읽고 이해한다 )

unix> ./hello
hello, world
unix>

• executable file을 Unix 에서 실행시키려면 shell이라는 어플리케이션 프로그램에 위와 같이 입력

• shell이 해당 executable file을 load하고 실행시키게 됨

• hello program을 실행시켰을 때 어떤 일이 일어나는지 알기 위해서는 Hardware Organization 을 이해해야 함

Hardware Organization of a System

• 정보의 바이트를 컴포넌트 사이에 옮겨다닐 수 있게 하는 통로

• 보통 버스는 고정된 사이즈의 바이트(words)를 전달하도록 디자인 되어 있음
• word는 보통 4바이트임

• I/O 장치는 시스템이 외부세계와 연결할 수 있는 통로임

• 예제에서는 4개의 I/O 장치가 존재함
• 키보드
• 마우스
• 모니터
• 디스크 드라이브(data나 프로그램의 장기간 저장소)

• 예제의 hello 프로그램 또한 처음에는 디스크 드라이브에 상주하고 있음

• 각각의 입출력 장치는 I/O 버스에 controller나 adapter를 통해서 연결이 됨
• 둘의 차이는 packaging의 한 종류인 것임
• 둘의 목적은 결국 I/O 버스와 입출력 장치 간에 데이터를 전달하는 것

• 프로그램과 데이터(프로세서가 프로그램을 실행할 시 조작하는 데이터)를 보유하는 임시 저장 장치
• 물리적으로, 메인메모리는 DRAM(Dynamic Random Access Memory)의 집합으로 구성되어 있음
• 논리적으로, 메모리는 byte의 선형 배열로 조직되어 있고 각각은 고유한 주소(0부터 시작하는)를 가지고 있음
• 프로그램을 구성하는 기계어 instruction들 또한 byte로 구성되어 있음

• 메인메모리에 저장되어 있는 기계어 instruction들을 이해하고 실행시키는 엔진임

• 코어에는 program counter(PC)라고 불리는 word-sized 저장소(or register)가 존재함
• 어떠한 시점에도 PC는 메인 메모리에 존재하는 기계어 instruction의 주소를 가리킴(혹은 포함함)

• 시스템에 파워가 공급되는 순간부터 꺼지는 순간까지 계속해서 processor는 반복적으로 PC 가 가리키는 기계어 instruction을 실행하고 다음 instruction을 가리키도록 업데이트함
• 메모리의 instruction(PC가 가리키는)을 읽고
• instruction의 bit를 이해하고 & 수행
• PC 의 값을 다음 실행 주소로 업데이트

• register file : word 사이즈의 register의 집합으로 구성된 작은 저장 장치

Running the hello Program

1. shell에 ./hello를 입력 → shell 프로그램은 각각의 단어를 읽어서 register로 옮기고 이를 메모리에 저장함

2. enter를 입력 → shell이 실행가능한 hello 파일을 로드하여 코드와 데이터를 디스크로부터 메인메모리로 옮김
1. 데이터는 출력될 “hello, world\n” 를 포함함
2. direct memory access라는 기법을 사용하여 data는 디스크로부터 메인메모리로 바로 전달됨. 프로세서를 거칠 필요 없이

3. 메인메모리로 코드와 데이터가 옮겨지고 난 다음에는 프로세서가 기계어 지시들을 하나씩 실행시킴
1. 여기에서 메인 메모리에 존재하는 “hello, world\n” 를 복사하여 레지스터 파일로 옮기고 거기서 디스플레이 장치로 다시 옮기게 됨

캐쉬는 중요하다

• 위의 사례에서 보면 hello 프로그램을 디스크에 저장되어 있던 것을 메인 메모리로 옮기고 또 메모리에서 processor로 옮기는 작업들이 꽤나 많은 부분을 차지함

1. 그래서 이러한 복사 작업을 가능한 한 빨리 만드는 것이 시스템 디자이너의 목표였음

2. 또한 프로세서는 register file(word-sized register의 집합으로 이루어져 있음)에서 데이터를 읽을 때 메인 메모리에서 읽는 것보다 100배는 빠름
• 반도체 기술이 발전함에 따라 프로세서가 더 빠르게 실행되도록 하는 것이 메인 메모리를 빠르게 하는 것보다 더 값이 싸짐 → 이것이 processor-memory gap
• processor-memory gap을 다루기 위해 시스템 디자이너들은 더 작고 더 빠른 cache memory라는 저장 장치를 만듦( 프로세서가 빠른 기간 내에 사용할 것이라고 생각되는 정보들을 모아두는 임시 저장 공간 )

• processor 칩에 있는 L1 캐쉬는 수만 바이트를 저장할 수 있고 register file 만큼이나 빠르게 접근이 가능함

• L2 cache는 수십만~수백만 바이트 저장가능하고 processor와 특별한 bus를 이용하여 연결되어 있음
• L1, L2 cache는 static random access memory(SRAM)으로 구현되어 있음

• 캐시에 숨어있는 아이디어는 locality를 이용한 매우 크면서 매우 빠른 효과를 동시에 얻을 수 있는 메모리라는 것임
• locality : 프로그램이 데이터와 코드에 접근할 때 주변의 범위에 대해서 접근하는 경향

메모리 계층도

• 메모리 계층구조의 주요한 아이디어는 어느 한 레벨의 저장소가 그다음 레벨 저장소의 캐쉬역할을 한다는 점임. L0(register)는 L1의 캐쉬, L1은 L2에 대한 캐시…

운영체제는 하드웨어를 관리함

• 쉘이 hello 프로그램을 로드하고 실행할 때, hello 프로그램이 메시지를 출력할 때 프로그램은 키보드, 디스플레이, 디스크, 메인 메모리에 직접적으로 접근하지 않음. 대신 운영체제에서 제공되는 서비스에 이를 맡김

• 운영체제를 어플리케이션 프로그램과 하드웨어 사이의 소프트웨어라고 생각할 수 있음

• 어플리케이션에서 하드웨어를 조작하고자 하는 모든 시도들은 다 운영체제를 통해서 실행됨

• 어플리케이션의 하드웨어에 대한 잘못된 사용을 보호하기 위함

• 복잡하고 되게 다른 저수준의 하드웨어 기기들을 간단하고 균일한 메커니즘으로 작동시키기 위하여

• 운영체제는 근본적인 추상화(Processes, Virtual Memory, Files)를 통해서 위의 2가지 목적을 달성함
• files are abstractions for I/O device
• virtual memory is an abstraction for both the main memory & disk I/O device
• processes는 processor, main memory와 입출력 장치에 대한 추상화

네트워크를 이용한 다른 시스템과의 통신

• 네트워크 또한도 그냥 또 다른 I/O 장치라고 생각할 수 있음

Important Themes

Concurrency and Parallelism

Thread-Level Concurrency

• 스레드를 이용하면, 하나의 프로세스안에서도 여러 개의 제어 흐름을 가져갈 수 있다

Instruction -Level Parallelism

• 현대 프로세서들은 한번에 여러 개의 instruction을 처리할 수 있고 이를 instruction-level parallelism이라 함

Single-Instruction, Multiple-Data(SIMD) Parallelism

• 많은 현대 프로세서들은 한번의 instruction으로 여러 operation을 병렬적으로 수행하도록 할 수 있음 → single-instruction, multiple-data

The Importance of Abstractions in Computer Systems

• computer science에서 추상화는 가장 중요한 컨셉 중 하나임
• 예를 들어, 좋은 코딩 면모 중 하나는 함수를 위한 간단한 API를 구성하는 것. 사용자가 그 안을 다 알 필요없이 사용할 수 있도록