[System Programming] 프로그램의 실행과정 / 하드웨어 구성의 재접근

1. 프로그램의 실행파일의 생성 과정

- 일반적으로 CPU를 디자인 하는 개발자는 명령어 체계도 디자인한다.

- 0011, 0010, 0100, 0101 등과 같이 명령어를 구성한 이후, 이 명령어에 각각의 이름을 넣어준다.

- ADD, MIN, MUL 등과 같이 말이다.

- 이러한 방식의 프로그래밍이 어셈블리 프로그래밍이다.

 

① 전처리기에 의한 치환작업

- C,C++에서 #으로 시작하는 지시자

- #include, #define 등

 

② 컴파일러에 의한 번역

- 단계 1에서 전처리 작업이 일어나도 여전히 C언어로 구성되어 있다.

- 보통 많은 컴파일러가 중간 코드에서 어셈블리 코드를 생성한다.

 

③ 어셈블러에 의한 바이너리 코드 생성

- 어셈블러가 이러한 어셈블리 코드를 받아서 바이너리 코드(기계어 코드)로 변환한다.

- 기계어 코드는 바이너리 파일로 저장되며, 실제 CPU가 실행 가능한 명령어이다.

 

④ 링커에 의한 연결과 결합

- 프로그램 내에서 참조하는 함수나 라이브러리를 하나로 묶는 과정이다.

- 즉, 실행파일을 생성해준다.

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2. 프로그램 내장 개념(Stored Programming Concept)

- 과거에 프로그램은 메모리에 저장되지 않았다. 

- 폰 노이만(John von Neumann) 아키텍처라고도 하며, 오늘날 컴퓨터 구조는 모두 이 형태를 띄고 있다.

- 명령어는 메모리에 저장되어, CPU에 의해 Fetcnh, Decode, Execution 되어야 한다는 것이 핵심이다.

 

① Fetch

- 메모리 상에 존재하는 명령어를 CPU 내부로 가져오는 작업이다.

- 일반적으로, Bus Interface를 통해서 이루어진다.

 

② Decode

- CPU 내부로 가져온 명령어를 CPU가 해석하는 단계이다.

- Control Unit에 의해서 해석된다. 

 

③ Execution

- 해석된 명령어의 명령대로 CPU가 실행하는 단계이다.

- 일반적으로, ALU가 중심이 되어 연산을 진행하는 단계라고 생각하면 된다.

 

① Fetch : 어떤 프로그램이 실행을 위해 메모리에 올라가게 되면, I/O BUS를 통해 레지스터에 저장된다.

② Decode : 명령어를 해석하여, 어떤 작업을 수행할지 결정해준다.

③ Execution : ALU가 중심이 되어, 실제 연산을 수행한다. 

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3. 데이터 이동의 기반이 되는 버스 시스템

- 버스 시스템이란, 데이터를 이동하는데 있어서 사용되는 전송 경로를 의미한다.

 

3-1. CPU와 메모리 관점에서만 보는 버스

- 버스는 일반적으로 크게 3가지가 나뉜다.

- 데이터 버스, 어드레스 버스, 컨트롤 버스가 존재한다.

 

① 데이터 버스

- 데이터를 이동하기 위해 필요한 버스

- 여기서 데이터는 특정 명령어가 될 수도 있고, 연산에 필요한 피연산자(Operand)가 될 수도 있다.

② 어드레스 버스

- 주소값을 이동하기 위해 필요한 버스

- 메모리나 장치의 특정 주소를 지정하여, CPU가 데이터를 읽거나 쓰는 위치를 결정한다.

③ 컨트롤 버스

- 컨트롤 신호 이동

- 데이터 전송이나 메모리 접근의 제어 신호를 전송한다.

- 즉, CPU가 언제 데이터를 읽거나 쓸지, 메모리가 데이터를 읽거나 쓸 준비가 되었는지 신호를 전달하여 조절한다.