[윈도우즈 시스템 프로그래밍] 1. 시스템 프로그래밍, 컴퓨터 하드웨어 구성, CPU

이 포스트는, 윤성우 저자님의 '뇌를 자극하는 윈도우즈 시스템 프로그래밍'을 바탕으로 제 생각을 재구성하여 정리한 포스트입니다.

 

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2019/06/12 - [Development/System] - [윈도우즈 시스템 프로그래밍] 1. 프로그램의 실행 과정/하드웨어 구성의 재접근

[윈도우즈 시스템 프로그래밍] 1. 프로그램의 실행 과정/하드웨어 구성의 재접근

 

목차

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• 1. 시스템 프로그래밍이란?

• 2. 컴퓨터 시스템의 주요 구성 요소

• 3. 컴퓨터 하드웨어 구성

• 4. CPU에 대한 이해

• 5. 클럭 신호(Clock Pulse)

 

1. 시스템 프로그래밍이란?

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공부의 필요성

 보통 프로그래밍 언어를 공부한다고 하면 C언어, C++, 자바 같은 언어를 공부한다.

하지만 이것들은 컴퓨터 시스템이 제공하는 기능을 그대로 사용하는 언어는 아니다.

컴퓨터 시스템이 제공해주는 기능을 위와 같은 언어로 활용하긴 위해선 시스템 프로그래밍을 공부해야 한다.

컴퓨터 시스템이 윈도우 기반으로 동작한다고 하면 윈도우 시스템 프로그래밍.
리눅스 기반으로 돌아간다고 하면 리눅스 시스템 프로그래밍을 공부하면 된다.

 

시스템 프로그래밍

 일반적으로 A라는 시스템이 있고 B라는 시스템이 있다고 가정할 때

'A라는 시스템이 B라는 시스템보다 성능이 30% 정도 높다.'라고 하면 사람들은 보통

'A의 하드웨어보다 B의 하드웨어보다 30% 더 좋구나.'라고 생각하기 일수다.

 

 하지만 시스템은 하드웨어에만 한정적으로 생각해서는 안된다.

개발자가 일반적으로 말하는 시스템(컴퓨터 시스템)의 범위는 '하드웨어 + 운영체제'의 묶음이다.

(ex. A라는 시스템은 CPU가 Intel 기반이고 운영체제는 Windows이다.)

즉, 시스템 프로그램은 하드웨어와 운영체제를 기반으로 하는 시스템에서 동작하는 프로그램이라고 할 수 있다.

 

응용 소프트웨어 개발과의 차이점

 모든 응용프로그램에서는 시스템 프로그래밍이라는 요소가 항상 들어있다.

여기서 시스템 프로그래밍의 역할은 운영체제의 기능을 십분 활용하는 역할을 한다.

예를 들어 C언어를 공부할 때, C언어 문법에서 Windows System의 기능을 십분 활용하는 함수는 없다.
C에서 제공하는 기능들은 시스템에 독립적으로 제공되는 기능이지 Windows System 기능을 십분 활용하는 기능이 아니다.

 

2. 컴퓨터 시스템의 주요 구성요소

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 컴퓨터 시스템(컴퓨터 구조 + 운영체제)의 주요 구성 요소는 다음과 같다.

• CPU, 캐시
  • 컴퓨터 하드웨어 구조
• 운영체제
  • 메인 메모리
    • 메모리 관리 기법
• 하드디스크
  • 파일 I/O (다양한 I/O 포함)

 

컴퓨터 시스템의 주요 구성요소

 보통 CPU와 캐시를 묶어서 컴퓨터 구조라고 하고, 메인 메모리와 하드디스크를 묶어 운영체제라 한다.

여기서 하드디스크라고 하면 물리적인 하드디스크의 특성을 떠올릴 수 있는데 그게 아니라,

입력과 출력(I/O)에 대한 것을 뜻한다.

(ex. File I/O,....)

 

3. 컴퓨터 하드웨어 구성

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컴퓨터 하드웨어 구성(전체)

• CPU(Central Processing Unit)
  • 중앙처리장치
  • 연산이 이루어지는 곳
• 메인 메모리(Main Memory)
  • 램(RAM)
  • 프로그램 실행 방식을 이해하는 것 (프로그램이 어떻게 실행되는가)
• 입출력 버스(Input/Output Bus)
  • 데이터 송/수신이 이뤄지는 원리

 

4. CPU에 대한 이해

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CPU(Central Processing Unit)

2와 5를 더하는 기능을 가지고 있는 A라는 프로그램을 컴파일했다고 가정하자.

컴파일된 바이너리 코드(실행 파일)는 하드디스크에 저장된다.

1. 프로그램 A는 하드디스크에 저장됨

이 프로그램 A를 더블클릭해서 실행을 하면 다음과 같이 정보가 메인 메모리에 올라가게 된다.

2. 프로그램 A실행

 메인 메모리에 올라가 있는 것만이 CPU를 기반으로 연산을 할 수 있다.

여기서 메인 메모리에는 덧셈이라는 연산과 피연산자인 숫자 2와 숫자 5가 올라간다.

실제 연산이 이루어지기 위해서는 버스를 통해 입/출력 버스를 통해 CPU로 이동한다.

 

CPU에서 처음 맞닥뜨리는 부분이 버스 인터페이스다.

이 버스 인터페이스에 대해 설명하자면, 버스는 상당히 복잡한 원리에 의해서 구성되어있고 나름대로의 통신 규약이 있다.

또한 버스는 규약에 따라서 데이터(위의 그림에서는 덧셈과 숫자 2, 5)를 주고받는다.

그렇기 때문에, 규약을 이해하고 규약에 맞춰서 데이터를 주고받을 수 있는 장치가 필요한데 그것이 버스 인터페이스다.

또 하나의 예를 들어, 위의 그림에서 네트워크 카드가 다른 장치(하드디스크, CPU,...)와 데이터를 주고받기 위해서는 입출력 버스를 통해 데이터를 이동해야 되고 그에 따른 통신 규약을 알아야 한다.
그렇다는 것은, 네트워크 카드 안에도 버스 인터페이스라는 장치가 내장되어있다는 것을 뜻한다.

넓게 보면 입출력 버스를 이용하는 장치들은 모두 버스 인터페이스를 가지고 있다고 생각해도 된다.

 

덧셈이라는 연산과 숫자 2, 5이 버스 인터페이스까지 왔다면

궁극적으로, 2와 5이란 숫자는 ALU라는 곳에 덧셈이라는 연산은 컨트롤 유닛으로 가야 된다.

이 컨트롤 유닛은 명령어를 해석하는 역할을 하는데 ALU에게 실질적으로 덧셈을 하라고 알려주는 녀석이 컨트롤 유닛이다.

 

그렇다면 덧셈이라는 연산은 컨트롤 유닛으로, 숫자 2와 5은 ALU로 가는 것이냐?

아니다. 그렇다면 좋겠지만 이 CPU란 녀석은 매우 바쁜 녀석이다.

예를 들어, ALU가 이미 연산중에 있는데 ALU에 2와 5이라는 숫자를 억지로 밀어 넣게 된다면 데이터가 손실될 수 있다.

마찬가지로 컨트롤 유닛도 명령어를 해석하고 있는데 덧셈이라는 연산을 밀어 넣게 된다면 역시 손실이 있을 수 있다.

그렇다면 어떻게 하면 좋을까? 가장 좋은 방법은 CPU 내부에도 조그마한 저장장치를 두는 것이다.

즉, 'ALU나 컨트롤 유닛이 필요할 때 데이터를 가져갈 수 있도록 하자.'라는 것이고 이 것이 레지스터라는 저장공간 등장의 이유다.

 

따라서, 컨트롤 유닛과 ALU에 데이터가 이동하기 전에 레지스터에 저장되는데 위의 예시를 다시 풀어보자.

1. 덧셈이라는 연산과 숫자 2, 5이 레지스터에 저장된다.

2. 컨트롤 유닛이 레지스터에서 명령어를 가져와 해석한다. (덧셈)

3. 컨트롤 유닛이 ALU에게 덧셈을 하라고 시그널을 보내고, 레지스터의 숫자 2와 5을 ALU로 이동시킨다.

4. 연산된 결과(숫자 7)는 다시 레지스터에 저장된다.

 

5. 클럭 신호(Clock Pulse)

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• 동작 타이밍
  • 클럭 발생기의 클럭(= 클럭 신호)
• 필요성
  • 요소들의 동기화

 컴퓨터의 모든 장치에는 클럭 신호라는 것이 들어간다.

컴퓨터 시스템을 보면 클럭 발생기란 것이 있는데 이 클럭 발생기는 일정한 간격으로 딱! 딱! 딱! 딱! 모든 장치에게 신호를 준다.

그러면 그 신호에 맞춰서 모든 장치는 연산을 한다. 즉 모든 장치의 동작 타이밍을 결정한다.

 

그렇다면 이 클럭 신호가 왜 필요할까? 하드웨어 모든 구성요소들이 클럭이 같은 게 아니다.

 

요소들의 동기화를 위해서 클럭 신호이 필요한데,

예를 들어 위의 그림처럼 2와 3이라는 값이 연산장치에 들어가고 더해진 결과가 BUFFER에 들어가고 출력장치는 BUFFER에 있는 결과를 가져다가 출력을 해준다고 가정하자

그런데 만약 연산장치가 초당 10번을 작업하고, 출력장치가 초당 5번 작업을 할 수 있다고 하면 어떻게 될까?

출력장치가 BUFFER의 데이터를 가져가기 전에 연산장치의 결과가 BUFFER에 데이터를 덮어씌워버려서 문제가 될 수 있다.

따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 중앙에서 클럭 신호를 일률적으로 전송하고 그 클럭 신호에 따라 장치들이 작업을 할 수 있게 디자인되었다.

그렇다면 클럭 신호는 얼마나 발생시켜야 될까?

보통 시스템 요소요소에서 요구하는 클럭의 기준에서 가장 낮은 클럭을 기준으로 클럭 신호를 발생시킨다.

연산장치가 초당 10번 작업할 수 있고, 출력장치가 초당 5번 작업 할 수 있다고 하면.
클럭 신호를 초당 10번 주면 어떻게 될까? 출력장치가 제대로 동작을 안 할 수도 있지만 열이 아주 많이 발생한다.

 

클럭을 높이면 성능은 좋아진다. 단 클럭을 높이면 열이 많이 발생하고 그렇게 되면 시스템이 불안해진다.

즉, 시스템이 불안해지지 않을 만큼 클럭을 높여야 한다.

과거에는 오버 클럭킹(Over Clocking)이라는 것을 많이 했는데. 
오버 클럭킹, 즉 클럭을 높여버리면 그만큼 일을 빨리하지만 단, 열이 발생하고 자칫하다간 CPU가 탄다.
이런 이야기를 들어 본 적이 있을 것이다.

 

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