컴퓨터 시스템 정리 (CSAPP) Chapter 1 A tour of Computer Systems

• 개인적으로 공부하면서 지속적으로 정보를 추가, 수정, 삭제합니다.
• 정확하지 않은 부분 피드백 주시면 감사합니다.
• 본 포스팅은 컴퓨터 시스템 (줄여서 CSAPP) 교재를 강의와 함께 노트한 것입니다.
• 노란색 하이라이트는 블로그 주인의 생각 + 이해가 더 필요한 부분을 개인적으로 표시한 것입니다.

참고: https://github.com/AllenZYoung/CSAPP/blob/master/Notes and Summaries/Ch1/Ch1.md
Computer System A Programmers Perspective (3rd), Randal E. Bryan, David R. O’Hallaron, 김형신 번역, 피어슨에듀케이션코리아, 2016

Chapter 1: A tour of Computer Systems

1.1 정보는 비트와 맥락

다음 포스팅의 1.1 - 1.2 항목 참고! ☞ 컴퓨터 과학, 자료구조, 알고리즘 with C언어

1.2 프로그램은 다른 프로그램에 의해 번역된다

이 부분은 CS50 강의를 들으면서 동일한 내용을 노트

• 컴파일링의 4단계
  1. 전처리(precomplie)
     • 실질적인 컴파일을 하기 전에, 추가된 라이브러리 파일을 확인하고 실제로 그 파일에 들어가 해당하는 소스코드를 복사해옴
  2. 컴파일링(compile)
     • C코드를 어셈블리어라는 저수준 프로그래밍 언어로 컴파일. 컴퓨터가 이해할 수 있는 언어와 최대한 가까운 프로그램으로 만듦
     • 어셈블리어는 C보다 연산의 종류가 훨씬 적지만, 여러 연산들이 함께 사용되면 C에서 할 수 있는 모든 것들을 수행 가능
     • 컴파일이라는 용어는 이 단계를 얘기하기도, 전체 컴파일링 4단계를 통칭하여 부르기도 함
  3. 어셈블링(assemble)
     • 어셈블리 코드를 오브젝트 코드로 변환.
     • CPU가 프로그램을 어떻게 수행해야 하는지 알 수 있는 명령어 형태인 연속된 0과 1들로 바꿔주는 작업.
     • 이 변환작업은 어셈블러라는 프로그램이 수행.
     • 소스 코드에서 오브젝트 코드로 컴파일 되어야 할 파일이 딱 한 개라면, 컴파일 작업은 여기서 끝나지만, 그렇지 않은 경우에는 링크라 불리는 단계가 추가.
  4. 링킹(link)
     • 만약 프로그램이 (math.h나 cs50.h와 같은 라이브러리를 포함해) 여러 개의 파일로 이루어져 있어 하나의 오브젝트 파일로 합쳐져야 하는 경우 필요한 단계.
     • 링커는 여러 개의 다른 오브젝트 코드 파일을 실행 가능한 하나의 오브젝트 코드 파일 합침.
     • 예를 들어, 컴파일을 하는 동안에 CS50 라이브러리를 링크하면 오브젝트 코드는 GetInt()나 GetString() 같은 함수를 어떻게 실행할 지 알 수 있게 됨.

1.4 하드웨어 체계

1. 버스 Buses

• words라고 불리는 고정된 바이트 덩어리를 이동시킴
• word에 담기는 바이트의 수는 시스템마다 다름 (a fundamental system parameter)
• 대부분의 기계는 오늘날 4바이트(32비트) or 8바이트(64비트)의 word size를 가짐

2. 프로세서 Processor

• The central processing unit (CPU)
• 메인 메모리에 저장된 지시를 번역하고 수행하는 엔진
• 프로세서의 코어에는 program counter (PC)라고 불리는 word size의 저장 공간(register)이 있음
• PC는 메인 메모리에 기계어로 된 지시가 담긴 곳을 가리키게 됨

3. 메인 메모리 Main Memory

• 메인 메모리는 프로세서가 프로그램을 실행하는 동안 조작하는 프로그램과 데이터를 담는 저장 공간
• dynamic random access memory (DRAM) 칩의 집합으로 구성 됨

1.5 캐시의 중요성

• 저장용량과 속도는 반비례 (아래 1.6의 그림 참고 )
• 따라서 메모리와 프로세서의 속도와 성능에 갭이 생김
• 캐시는 프로세서가 필요로 하고 자주 접근할 거 같은 데이터를 임시로 담는 공간 → 속도에 도움이 됨
• 캐시는 CPU칩 안에 있음
• 작고 빠른 저장 공간(ex. 캐시)을 프로세서와 크고 느린 공간(ex. 메인 메모리) 사이에 넣는 것

1.6 저장 기기의 계층 구조

• 한 레벨에서의 저장 공간은 다음 낮은 레벨의 저장 공간을 위한 캐시 역할을 함! (ex: register 파일은 L1 캐시를 위한 캐시 공간)

1.7 운영체제는^{the operating system} 하드웨어를 관리한다

1. 운영체제란?

1. 응용 프로그램과 하드웨어 사이에 위치한 소프트웨어
2. 운영체제의 두 가지 목적
   • 제멋대로 동작하는 응용 프로그램으로부터 하드웨어의 오사용을 막기 위함
   • 복잡하고 각기 다른 저수준의 하드웨어 기기들을 조작하도록 단순하고 균일화된(uniform) 작동 원리를 응용 프로그램에 제공하는 것
3. 위와 같은 목적을 달성하기 위해 운영체제는 프로세스, 가상 메모리, 파일을 이용함

2. 프로세스_Processes

1. 프로세스란 하나의 실행중인 프로그램에 대한 운영체제의 추상화
2. 다양한 프로세스는 하나의 시스템에서 동시에 실행될 수 있으며, 운영체제는 각각의 프로그램이 시스템에서 유일하게 실행중인 것 같이 보이게 함 (appears to have exclusively use of the hardwares, 하드웨어를 그 프로그램만이 사용할 수 있는 것처럼 보이게 함)
3. 컴퓨터 과학에서 가장 중요하고 성공적인 아이디어 중 하나
4. 문맥 전환 Context switching
   1. 싱글 CPU가 여러 프로세스 사이를 왔다갔다하면서 여러 프로세스를 동시에 처리하는 것처럼 보이게 하는 것
   2. context
      • 운영체제가 프로세스를 실행하기 위해 필요로 하는 모든 상태 정보를 저장한 것
      • 현재의 PC(Program Counter) 밸류, register file, 메인 메모리의 내용
   3. 현재의 context를 저장 → 새로운 프로세스의 context 불러오기 → 새로운 프로세스에게 control 넘겨주기(a system call)
   4. kernel
      • 한 프로세스에서 다른 프로세스로의 전환을 관리하는 운영체제
      • 운영체제 코드의 일부분으로, 항상 메모리에 상주한다
      • 커널은 분리된 process가 아니라, 다른 모든 프로세스들을 관리하기 위해 시스템이 사용하는 코드와 자료 구조의 집합
5. 프로세스 추상화를 달성하려면 "저수준의 하드웨어 + 운영체제 소프트웨어"간의 긴밀한 협업이 필요함
   

3. 쓰레드 Threads

1. 프로세스는 threads라고 불리는 다수의 실행 유닛으로 구성됨
2. 각각은 프로세스의 맥락 안에서 실행되며, 같은 코드와 전역 데이터를 공유함
3. 다음과 같은 이유로 중요성이 증가하고 있음
   • 네트워크 서버에서의 동시성에 대한 요구
   • 다양한 프로세스 사이에서 데이터를 공유하는 것보다 쓰레드 사이에서 공유하는 것이 더 쉬움
   • 전형적으로 프로세스보다 더 효율적

4. 가상 메모리 Virtual memory

1. 각각의 프로세스에게 실제 물리 메모리가 아닌 통일된 가상의 주소 공간을 보이게 하는 것
2. 가상 주소 공간 virtual address space
   • 가장 위의 구역은 운영체제를 위한 코드와 데이터 공간으로 모든 프로세스에 공통적
   • 그 아래 부분은 유저의 프로세스에 의해 정의된 코드와 데이터를 담는 공간으로, 아래에서부터 위로 증가함
     
   • Program code and data: 실행 파일의 내용으로부터 초기화되는 공간. 일단 프로세스가 시작되면 크기가 고정 됨.
   • Heap: 프로그램 코드와 달리, malloc이나 free같은 라이브러리 호출로 동적으로 크기가 늘어나고 줄어듦.
   • Shared libraries: 중간 부분의 구역. C 표준 라이브러리, math 라이브러리 같은 것들을 위한 코드와 데이터를 저장.
   • Stack: 함수 호출을 위해 컴파일러가 사용하는 공간. Heap처럼 프로그램의 실행 동안 동적으로 늘어나고 줄어듦.
   • Kernel virtual memory: 가상 주소 공간의 제일 윗부분. 응용 프로그램은 이 구역을 읽거나 쓰거나, 직접적으로 커널 코드에 정의된 함수를 호출할 수 없음. 그 대신 커널을 호출하여 이러한 연산을 하도록 함.

5. Files

• A sequence of bytes.
• 디스크, 키보드, 모니터, 네트워크 등 모든 I/O 기기들은 파일 형태로 관리됨
• 시스템의 모든 입력과 출력은 파일을 읽고 쓰는 것으로 수행되며, Unix I/O라고 불리는 시스템 호출 집합(a set of system calls)을 이용
• 다양한 입출력 기기들에게 단일한 view를 제공한다는 점에서 강력함

1.8 시스템은 네트워크를 이용하여 다른 시스템과 소통한다

• 네트워크란 또 하나의 I/O 기기
• 인터넷과 같은 글로벌 인터넷의 등장과 함께, 한 기기에서 다른 기기로 네트워크를 통해 정보를 복사하는 것은 가장 중요한 컴퓨터 시스템의 사용
  ex) 이메일, instant messaging, WWW(world wide web), FTP 등

1.9 중요한 주제들

1. a system is more than just hardware

• 응용 프로그램을 최종적으로 실행하기 위해 하드웨어와 시스템 소프트웨어의 cooperation이 필수적임

2. Amdahl’s Law

• 시스템의 한 부분의 성능을 증가시키는 것의 유효성에 대한 관찰
• 우리가 시스템의 한 부분의 속도를 증가시킬 때, 전체 시스템의 성능에 미치는 효과는 얼마나 이 부분이 중요한지와, 얼마나 속도를 증가시켰는지에 달려있다.
• 무한대로 속도를 올려도 전체 시스템의 속도 증가는 미미할 수 있음 → 전체 시스템에서 매우 큰 부분의 속도를 증가시켜야 함

3. Concurrency and Parellelism

• 컴퓨터 역사에서 “더 많은 일을”, "더 빠르게 수행하기"에 대한 요구가 발전의 가장 큰 추진력임 → 프로세서가 더 많은 일을 동시에 하도록 하기
• 동시성 concurrency: 다양한, 동시적인 작업을 수행하는 것
• parellelism: 시스템이 더 빨리 작동하게 하기 위해 동시성을 이용하는 것
• Thread-Level Concurrency
  • uniprocessor system
  • multiprocessor system
  • multi-core processor
  • hyperthreading (simultaneous multi-threading)
• Instruction-Level Parellelism: 다수의 명령을 동시에 실행
  • superscalar processors
• Single-Instruction, Multiple-Data (SIMD) Parelleism: 하나의 명령이 다수의 연산을 동시에(in parellel) 실행할 수 있도록 하는 특별한 하드웨어

4. 컴퓨터 시스템에서 추상화의 중요성

• instruction set architecture
• 파일
• 프로세스
• 가상 메모리 virtual memory
• 가상 머신 virtual machine