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들어가기에 앞서

학부에서 배우는 “시스템 프로그래밍”에 대해 다루는 내용입니다.
오늘은 가볍게 앞으로 배울 내용들에 대해 간략히만 다루는 시간입니다. 더 자세한 내용들은 앞으로 공부해나가면서 포스팅하겠습니다.

소스코드를 실행파일로 변환

정보는 비트와 약속으로 구성된다

Source File은 ASCII 코드로 정수로 바꿔 표현할 수 있습니다.
ASCII 코드라는 약속을 통해 동일하게 표현 가능한 것입니다. 소스 파일은 사람이 읽을 수 있는 Text파일이고 컴파일러를 통해 0101로 이루어진 Binary 파일로 변환됩니다.

컴파일하는 방식

  1. 전처리기
    hello.c 라는 소스코드(text 파일)는 전처리기에 의해 #include, #define 같은 지시어들을 전부 대체하는 역할을 합니다.
    그러면 hello.i라는 수정된 소스코드(text 파일)이 나옵니다.
    보통 #include 파일을 대체하면 extern 이라는 키워드가 앞에 붙게 되는데 의미는 ‘이 파일에 원하는 것이 없다 알려주고 링킹과정에 나올테니 일단 넘겨’ 라는 뜻입니다.
  2. 컴파일러
    hello.i 파일은 컴파일러에 의해 어셈블리 파일로 바뀝니다.
    hello.s 라는 파일(text)이 나오는데 니모닉 심볼이라고 부릅니다.
    이는 기계어와 1대1 매칭되고 사람이 읽을 수 있는 text 파일이며 하드웨어에 dependence하기 때문에 아키텍쳐마다 다르다는 특징이 있습니다.
  3. 어셈블러
    hello.s 파일을 컴퓨터가 읽을 수 있는 Binary 파일로 바꿔줍니다.
    hello.o 파일이고 0101로 이뤄져있어 사람이 읽기 힘듭니다. 바로 실행은 불가능하고 링킹되어야 실행 가능합니다.
  4. 링커
    hello.o 파일과 printf가 정의된 printf.o 파일이 링킹되어야 비로소 hello.elf 라는 파일이 생기고 실행이 가능해집니다.
    printf.o 파일에는 심볼테이블이 붙어있습니다. main, printf 같은 심볼이 있는데 해당 코드에서 찾으면 “T”라고 나오고 Undefined이면 “U”라고 뜨고 다른 곳에서 찾아 링킹하는 과정입니다.

Running the program

커널, 쉘, 유틸리티

hello.c 파일을 실행하면 hello.elf 파일이 Disk 위에 올라갑니다. 그리고 DMA 방식으로 메모리에 적재됩니다.

메모리에 적재되는 것은 크게 커널과 유틸리티입니다.
커널은 시스템이 켜질때 메모리에 안착됩니다. 유틸리티 중에 유틸리티 for 유틸리티 로 쉘이 있습니다.
쉘은 주로 로그인할 때 메모리에 적재됩니다. Linux에서는 Bash를 쓰고 gui, tui 유형의 쉘이 있습니다. 쉘은 명령어를 받길 기다리고 엔터를 치면 command를 실행합니다. command는 내장명령, 외부명령이 있습니다.

컴퓨터 구조

크게 CPU, Memory, IO로 볼 수 있습니다.

폴링 방식 vs DMA 방식

기존 폴링 방식은 cpu가 DIsk controller가 idle할 때까지 대기하는 방식입니다.
cpu는 속도가 아주 빠르고 Disk io는 느린데 cpu가 기다리는게 아주 비효율적입니다.

DMA 방식은 cpu는 일하게 냅두고 Memory에 DIsk에 적재된 hello.elf의 명령어를 모두 Copy하는 것입니다. 그러면 cpu, disk controller가 각자 일하고 복사가 끝나면 cpu가 메모리에 접근해 hello.elf를 실행할 수 있습니다.

방식은 다음과 같습니다.

  1. CPU가 Disk에게 메모리에 복사하라고 명령
  2. DMA 방식으로 Disk에서 메모리에 복사
  3. Disk Controller가 cpu에 끝났다고 알려줌(인터럽트)

CPU 일하는 방식

CPU 안에는 PC, IR, 레지스터 파일, ALU, 캐시가 있습니다.
PC(프로그램 카운터)는 다음에 실행할 명령어의 주소를 가집니다.
IR(Instruction 레지스터)는 명령어를 저장합니다.
ALU는 만능계산기라고 보면 됩니다.
레지스터 파일은 ALU가 계산한 임시결과를 저장합니다.
캐시는 과거 데이터를 기반으로 앞으로 쓰일 중복된 데이터를 ‘로컬리티’라는 개념으로 저장해놔서 불필요한 이동을 줄입니다.

CPU는 다음 일만 수행합니다.

  1. PC에서 메모리에 접근하여 명령어를 fetch하여 IR에 저장한다.
  2. IR에 저장된 명령어를 decode한다.
  3. execution한다.

fetch, decode, execution을 계속 반복하면서 cpu는 계속 일을 수행합니다.

레지스터 파일이 존재하는 이유는 ALU에서 계산한 임시결과들을 메모리에 저장하면 나중에 BUS를 통해 접근해야되서 시간이 소요되기 때문에 CPU안에다 임시결과를 저장하는 것입니다.

캐시는 시간적, 공간적 로컬리티 개념으로 과거데이터를 저장해서 후에 그 데이터가 또 쓰이면 메모리에 다시 접근하는 것이 아니라 CPU 안에서 바로바로 꺼내서 쓸 수 있는 것입니다.

S램, D램

비싸지만 속도가 빠른 S램을 CPU와 가까이 배치하고 느리지만 가격이 낮은 D램을 Main Memory로 씁니다.
CPU의 캐시는 SRAM, Main 메모리는 DRAM이라고 보면 됩니다.

OS(운영체제)

우리는 키보드, 모니터와 관련된 명령어를 치지않고 hello.c 파일을 실행시킬 수 있습니다. 그 이유는 OS가 보조해주기 때문입니다. OS의 목적은 다음과 같습니다.

  1. 사용자가 이상하게 써서 시스템 고장내는걸 막기위함
  2. 사용자에게 Simple하고 편리한 환경을 제공하기 위함
  3. 안 보이는 곳에서 효율적으로 자원을 관리하기 위함

OS의 중요개념은 다음 3가지입니다.
Processor, Main memory, Files.
추후에 OS 수업이나 이 수업의 후반부에서 자세히 배울 예정입니다.
후에 해당 파트에서 자세히 작성하겠습니다. 감사합니다.

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참고