승빈 Binnie Shin

승빈 Binnie Shin

GIST EECS + AI

Introduction to Computer Systems

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Central Processing Unit (CPU)

컴퓨터의 중앙 처리 장치로, 컴퓨터의 두뇌 역할을 담당한다.

  • Registers

    가장 작은 메모리 단위로, CPU 내부에 있으며 RAM에서 로드한 데이터를 저장한다. 컴퓨터의 기본 처리 단위로 알려진 32bit, 64bit은 이 레지스터의 크기를 말한다.

  • Transistors

    전자 신호나 전력을 증폭(amplify)시키는 장치이다. 실리콘으로 만들어졌고, on/off 스위칭 매커니즘을 사용된다.

  • Control Unit

    RAM으로부터 instruction을 받아오고 작은 명령어 단위로 분해해서 전달하는 전체 실행 과정을 통제한다. 주로 ALU와 memeory unit과 협력해서 명령을 수행한다.

  • Arithmetic Logic Unit(ALU)

    2개 이하의 입력을 받아서 이에 대한 산술 연산과 논리 연산을 하는 장치

    -> addition, subtraction(산술 연산), comparison(논리 연산)

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  • buses (= wire들의 묶음을 말한다.)

    • Data bus : 데이터를 운반하는 전선

    • Address bus : 메모리 주소를 운반하는 전선

      -> data와 address bus를 합쳐서 system bus라고도 함

    • Control bus : enable(활성화)과 set(초기화)를 담당하는 전선
    • I/O bus : 입출력 장치와 연결된 전선으로, word size와 관련이 없다.



CPU가 instruction을 처리하는 과정

먼저 control unit이 레지스터에 데이터를 설정(set)하고 활성화(enable)하면, ALU에 입력 값 A와 B가 전달된다. ALU는 RAM에서 전달받은 종류의 연산을 수행하고 결과를 출력해서 다른 레지스터에 저장한다. 전달 받은 연산이 조건문의 경우, flag 레지스터를 추가적으로 사용해서 여기에 결과값을 저장한다.

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하나의 연산이 끝나면 control unit은 instruction address 레지스터에서 다음에 실행할 명령어의 주소를 확인한다. 그러면 주소 비트는 RAM으로 가서 다음 명령을 불러와 instruction 레지스터에 로드하게 되고, control unit은 다음 명령어를 실행한다.



Task manager Identification

  • Cores : 한 타임에 작동할 수 있는 물리적인 CPU의 개수를 의미
  • Logical Processors : 논리상 작동할 수 있는 모든 CPU의 개수로, 가상 코어도 포함
  • Clock speed (2.63GHz) : CPU가 1초에 2.63 billion 만큼의 정보를 처리

  • Processes : 현재 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스

    -> 독립적인 메모리 공간과 주소를 갖는다.

  • Threads : 프로세스 안에서 실행되는 작은 단위

    -> 부모 프로세스의 메모리 공간과 자원을 공유해서 사용한다.

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Process of executing

먼저 컴파일러는 사용자가 구현한 하이 레벨 코드를 로우 레벨 코드(= 어셈블러어)로 변환해준다. 어셈블리어는 다음과 같은 instruction set의 나열로 표현되는데, 최종적으로 0과 1로 이루어진 기계어 코드와 일대일 매핑 관계를 가진다.

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컴파일된 프로그램을 실행하는 순간, RAM에는 프로그램에서 필요한 데이터와 코드를 로드한다. instruction, number, address, letter 등 다양한 형태의 데이터를 저장할 수 있다.



CPU Cores

하나의 CPU 코어 당 하나의 프로그램만 실행시킬 수 있기 때문에, 코어의 갯수가 늘어날 수록 더 많은 연산을 동시에 수행할 수 있게 된다.

  • single-core processor : 독립적으로 L1, L2, L3를 하나씩 사용한다.

  • multi-core processor : 독립적인 L1, L2 캐시를 가지고, L3 캐시를 공유한다.

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Hyperthreading

  • Threading : 프로세스를 실행시키는 단위로, 한 프로세스 내에서 쓰레드는 모두 같은 메모리 공간과 리소스를 공유하고 사용한다.

  • Hyper-threading : 하나의 코어에서 두 개의 가상화된 코어를 실행시킬 수 있도록 하는 기술로, 마치 CPU가 여러 대인 것처럼 느껴지게 하는 것

    -> 하이퍼 쓰레딩은 하드웨어 기술의 한 종류라면, 쓰레드는 소프트웨어적인 개념!

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Memory Hierarchy

Register < L1, L2, L3 cache (SRAM) < Main memory (DRAM) < Local Disks

컴퓨터 내부의 메모리 구조는 다음과 같은 계층 구조를 가진다. 위로 올라갈 수록 저장할 수 있는 메모리 단위가 작고 실행 속도도 빠르며, CPU와 가까이 위치한다.

메인 메모리만으로는 CPU의 빠른 처리 속도를 따라갈 수 없었기 때문에, 이러한 속도 차이를 보정하고자 캐시의 개념이 도입되어 사용되었다.

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Network

네트워크는 I/O 디바이스의 일종이라고 볼 수 있다. CPU와 메모리에서의 데이터는 I/O bus를 통해 네트워크 어댑터로 전달된다. 그리고 컴퓨터는 IP 주소를 통해 외부의 다른 기기와 연결할 수 있게 되고, 연결에 성공하면 기기의 MAC 주소를 얻게 된다.

네트워크 어플리케이션은 MAC 주소와 port number를 사용해서 socket을 열어준다. 이를 통해 두 컴퓨터는 소켓을 사용해서 서로의 데이터를 주고 받을 수 있게 된다.

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  • IP 주소 (IP 프로토콜) : 컴퓨터의 네트워크 주소

  • MAC 주소 (ARP 프로토콜) : 컴퓨터의 물리적인 주소

    IP는 임시적으로 할당된 변동성을 가진 주소이지만, MAC 주소는 통신 기기의 하드웨어 자체에 부여된 고유한 식별 번호를 의미한다.





@Computer Systems a programmer’s perspective third edition 내용을 참고함



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