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

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

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2019/05/29 - [Development/System] - [윈도우즈 시스템 프로그래밍] 1. 시스템 프로그래밍, 컴퓨터 하드웨어 구성, CPU

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

목차

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• 프로그램 실행 과정
• Stored Program Concept
• 데이터 이동 기반의 버스 시스템

 

프로그램 실행 과정

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그림1. 실행파일의 생성 과정

• 전처리기에 의한 치환작업
  • #으로 시작하는 지시자
• 컴파일러에 의한 번역
  • CPU의 명령어로 번역
• 어셈블러에 의한 바이너리 코드(0, 1) 생성
  • CPU의 명령어를 바이너리 코드로 번역
• 링커에 의한 연결과 결합
  • 라이브러리와 결합

실제로 실행파일이 생성되는 과정은 그림 1과 같다.

 

어셈블리어? 어셈블러?

 CPU를 디자인한다는 것은 아주 큰 의미를 지닌다. CPU를 개발하는 개발자는 명령어를 디자인한다.

이 명령어를 어떻게 디자인하느냐에 따라 CPU 구성을 달리한다.

컴퓨터는 알다시피 0과 1이라는 숫자만으로 데이터를 송수신하는데,

자신이 CPU 개발자라고 생각하고 사칙연산을 0과 1이라는 숫자를 어떻게 정의할까 나름대로 생각해보자.

그림2. 임의로 정의해본 CPU 사칙연산 정의

 0011은 덧셈, 0010은 뺄셈, 0100은 곱셈, 0101는 나눗셈으로 CPU 명령어를 정의하였다.

하지만 사람들이 0011, 0010, 0100, 0101이라는 숫자만 눈으로 보기엔 이게 덧셈인지 나눗셈인지 헷갈린다.

개발자들의 뇌가 숫자들로 가득하지 않은 이상... 저런 숫자의 조합만으로 프로그래밍을 할 수 없다.

그래서 0011이라는 덧셈의 의미를 가진 숫자에겐 ADD라는 문자,..., 0101이라는 나눗셈의 의미를 가진 숫자에겐 DIV라는 문자를 붙여주고 저런 문자를 가지고 프로그래밍을 하는데, 이것을 어셈블리 프로그래밍이라고 한다.

그러면 역으로 우리가 붙인 문자로 프로그래밍을 한다면,

컴퓨터가 그 문자를 이해하기 위해서 컴퓨터가 이해할 수 있는 숫자(0과 1의 조합)로 다시 바꾸어주어야 하는데

이것이 어셈블러가 하는 일이다.

 

그렇다면 컴파일러는?

 위에서 ADD, MIN, MUL, DIV라는 문자 덕택에 우리는 숫자만으로 프로그래밍을 하지 않아도 된다.

하지만 여전히 ADD, MIN, MUL, DIV 이러한 문자들을 통해 제대로 된 프로그래밍을 하기엔 너무 어렵다.

그래서 지금 우리가 흔히 이해하기 쉽고 공부하기 좋은 언어 C, C++, JAVA,... 와 같은 프로그래밍 언어를 사용한다.

우리가 프로그래밍 언어를 통해 개발을 하면,

컴파일러는 위에서 언급한 ADD, MIN과 같은 어셈블리어로 변환시켜주고 어셈블러는 컴퓨터가 이해할 수 있도록 바이너리 코드(0, 1)로 변환시켜준다고 보면 된다.

 

링커?

어셈블러를 통해 만들어진 바이너리 코드와 라이브러리를 결합해 실행파일을 만들어 주는 역할을 한다.

 

Stored Program Concept

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 프로그램이란 것은 메모리에 저장되는 컨셉으로 컴퓨터 구조가 디자인되어야 한다. (= 폰 노이만 아키텍처)

오늘날의 모든 시스템은 Stored Program Concept로 디자인되어있다.

메모리에 저장이 안 되는 프로그램도 있나..?라고 생각할 수도 있는데 예전에는 메모리라는 개념이 없을 때 프로그램이란 것이 메모리에 저장되는 구조가 아녔다고 한다.

명령어(프로그램)는 메모리에 저장되어서 CPU에 의해 Fetch, Decode, Execution 된다.

• Fetch
  • CPU 내부로 명령어 이동(버스 인터페이스를 통해서)
• Decode
  • 컨트롤 유닛에 의해 명령어 해석
• Execution
  • 연산을 진행
  • 보통은 ALU를 생각

그림3. Stored Program Concept 상세 과정

1. 전처리기-> 컴파일러-> 어셈블러-> 링커 과정을 통해 만들어진 실행파일이 메모리에 Load 된다.

2. 메모리에 저장된 명령어는 CPU에 Fetch 된다.

3. CPU에 Fetch 된 명령어는 덧셈이라는 연산으로 Decode 된다.

4. Decode 된 연산은 Execution 된다.

 

그림4. Stored Program Concept + 컴퓨터 구조

 그림 4를 이전 포스트를 생각하면서 이해해 보도록 하자 ^^.

 

데이터 이동의 기반 버스 시스템

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 버스는 보통 아래와 같이 3가지로 분류한다.

• 데이터 버스
  • 데이터 이동
• 어드레스 버스
  • 주소 이동
• 컨트롤 버스
  • 컨트롤 신호 이동

그림5. 버스의 종류

 CPU와 메모리 관점에서만 버스를 설명해보자면,

데이터 버스(Data Bus)

 말 그대로 데이터를 전달하는 버스다.

우리가 보통 버스 하면 '데이터 이동이다'라고 이것을 생각한다.

어드레스 버스(Address Bus)

 CPU입장에서 메모리의 특정한 주소에 있는 데이터를 가져가고 싶을 때가 있다.

'몇 번지에 있는 데이터를 줘'라고 주소를 요청하고 전달받아야 하는데, 이럴 때는 어드레스 버스를 사용한다.

컨트롤 버스(Control Bus)

 버스라는 것은 일반적으로 양방향이다.

CPU에서 메모리에 데이터를 전달할수도 있고, 반대로 메모리에서 CPU로 데이터를 전달 할 수 도 있다.

그렇기 때문에 컨트롤이 필요하다.

예를 들어, CPU가 메모리로 '내가 지금 데이터를 보낼 것이다.' 하면 메모리는 이 순간 CPU에게 데이터를 전달하면 안 된다.

이와 같은 경우 순서를 컨트롤할 때 컨트롤 버스를 사용한다.