kamillee0918
Kamil Lee의 개발 일기
일본 장기 AI와 개발 관련 이야기를 중심으로 정리하고 있습니다.

컴퓨터 아키텍처

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📑 Table Of Contents

이번시간에는 컴퓨터 아키텍처에서 CPU의 주요 구성 요소 프로그램 카운터(PC), 레지스터, 상태 코드를 살펴보도록 하겠습니다. 이어서 컴파일 과정에 대해 살펴볼 것이며, 또 마지막으로 어셈블리 언어와 명령어 실행을 컴파일러에 의해 최적화가 수행되는 과정까지 이어질 것입니다. 이러한 과정들을 이해함으로써 컴퓨터 시스템의 작동 원리를 깊이 있게 파악할 수 있을 것입니다.

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1. ⚙ CPU

PC (Program Counter)

  • 역할

    다음에 실행할 명령어의 메모리 주소를 저장하는 레지스터입니다. CPU는 PC에 저장된 주소를 참조하여 순차적으로 명령어를 가져와 실행합니다.

  • 동작

    명령어 실행이 완료될 때마다 PC는 자동으로 다음 명령어의 주소로 업데이트됩니다. 분기 명령어나 함수 호출 등의 경우 PC 값이 변경되어 프로그램 실행 흐름을 제어합니다.

레지스터 (Register)

  • 역할

    CPU 내부에 있는 작고 빠른 임시 저장 공간입니다. 연산에 필요한 데이터나 중간 결과, 메모리 주소 등을 저장하며, CPU는 메모리보다 레지스터에 접근하는 것이 훨씬 빠르기 때문에 프로그램 실행 속도를 높이는 데 중요한 역할을 합니다.

  • 종류:

    • 범용 레지스터: 다양한 용도로 사용되는 레지스터 (예: 데이터 연산, 주소 저장)
    • 특수 목적 레지스터: 특정 용도로 사용되는 레지스터 (예: PC, 상태 레지스터)

상태 코드 (Condition Code)

  • 역할

    CPU 내부의 상태 레지스터 (Status Register)에 저장되는 플래그 (flag)들의 집합입니다. 이 플래그들은 CPU가 수행한 연산의 결과에 따라 설정되며, 이후 실행될 명령어의 흐름을 제어하는 데 사용됩니다.

  • 주요 Condition Code Flag
    • Zero Flag (Z): 연산 결과가 0인 경우 1로 설정됩니다.
    • Carry Flag (C): 연산 결과에서 자리 올림(carry)이 발생한 경우 1로 설정됩니다. 주로 부호 없는 정수 연산에서 사용됩니다.
    • Overflow Flag (V): 연산 결과가 표현 가능한 범위를 넘어 오버플로우가 발생한 경우 1로 설정됩니다. 주로 부호 있는 정수 연산에서 사용됩니다.
    • Sign Flag (S): 연산 결과가 음수인 경우 1로 설정됩니다.
    • Parity Flag (P): 연산 결과에서 1의 개수가 짝수인 경우 1로 설정됩니다.

  • 활용

    주로 조건 분기 명령어와 함께 사용되어 프로그램의 실행 흐름을 제어합니다. 예를 들어, 두 수를 비교하는 명령어를 실행한 후, Zero Flag, Carry Flag, Overflow Flag 등을 확인하여 점프(jump) 명령어를 통해 특정 위치로 이동할 수 있습니다.

  • 예시

    CMP R1, R2  ; R1과 R2 레지스터 값 비교
JZ  EQUAL   ; Zero Flag가 1이면 EQUAL 레이블로 점프 (R1 == R2)
JG  GREATER ; Sign Flag가 0이고 Overflow Flag가 0이면 GREATER 레이블로 점프 (R1 > R2)
JL  LESS    ; Sign Flag가 1이면 LESS 레이블로 점프 (R1 < R2)

    위 어셈블리 코드는 두 레지스터의 값을 비교하고, 비교 결과에 따라 다른 레이블로 점프하는 예시입니다. 이처럼 Condition Code를 활용하면 프로그램의 실행 흐름을 다양하게 제어할 수 있습니다.

  • 중요성

    프로그램의 논리적인 흐름을 제어하는 데 필수적인 역할을 합니다. 조건문, 반복문, 함수 호출 등 다양한 제어 구조를 구현하는 데 사용되며, 효율적인 프로그램 실행을 위해 Condition Code를 적절히 활용하는 것이 중요합니다.

2. ⚙ 컴파일 과정 (Compilation Process)

전처리 (Preprocessing)

소스 코드에서 #include, #define 등의 전처리 지시자를 처리하여 하나의 소스 파일로 통합합니다.

컴파일 (Compilation)

전처리된 소스 코드를 어셈블리 코드로 변환합니다. 이 과정에서 문법 오류를 검사하고, 변수 타입, 함수 호출 등을 분석합니다.

어셈블 (Assembly)

어셈블리 코드를 기계어 (0과 1로 이루어진 명령어)로 변환합니다. 이때 각 어셈블리 명령어는 CPU가 실행할 수 있는 기계어 명령어로 변환됩니다.

링크 (Linking)

여러 개의 목적 파일 (object file)과 라이브러리를 연결하여 실행 가능한 파일 (executable file)을 생성합니다. 외부 함수 호출 등을 해결하고, 프로그램 실행에 필요한 모든 코드를 하나로 묶습니다.

3. ⚙ 어셈블리 언어와 명령어 실행

명령어 단위 실행 (Instruction-Level Execution)

컴퓨터는 CPU (중앙처리장치)를 통해 프로그램을 실행합니다. CPU는 프로그램을 구성하는 명령어들을 순차적으로 하나씩 가져와서 해독하고 실행하는 과정을 반복합니다. 이러한 방식을 명령어 단위 실행이라고 합니다.

  • 명령어 실행 과정
    1. Fetch (가져오기): CPU는 PC (Program Counter) 레지스터에 저장된 메모리 주소를 참조하여 다음에 실행할 명령어를 메모리에서 가져옵니다.
    2. Decode (해독): CPU는 가져온 명령어를 해독하여 어떤 연산을 수행해야 하는지 파악합니다. 명령어는 연산 코드 (opcode)와 피연산자 (operand)로 구성됩니다.
    3. Execute (실행): CPU는 해독된 명령어에 따라 필요한 연산을 수행합니다. 연산 결과는 레지스터에 저장되거나 메모리에 쓰여질 수 있습니다.

  • 명령어 집합 (Instruction Set)

    각 CPU는 고유한 명령어 집합을 가지고 있습니다. 명령어 집합은 CPU가 실행할 수 있는 명령어들의 종류와 형식을 정의합니다. 명령어 집합은 CPU의 성능과 기능에 큰 영향을 미치며, 컴퓨터 아키텍처의 중요한 요소입니다.

자바 바이트코드 (Java Bytecode)

자바는 컴파일 언어이지만, 기계어로 직접 변환되지 않고 중간 단계의 코드인 자바 바이트코드로 변환됩니다. 자바 바이트코드는 JVM (Java Virtual Machine)이라는 가상 머신에서 실행됩니다.

  • 자바 바이트코드의 장점:
    • 플랫폼 독립성: JVM은 다양한 운영체제와 하드웨어 플랫폼에서 동작하므로, 자바 프로그램은 한 번 컴파일하면 어떤 플랫폼에서든 실행될 수 있습니다.
    • 보안성: JVM은 자바 바이트코드를 실행하기 전에 안전성 검사를 수행하여 악성 코드 실행을 방지합니다.
    • 최적화: JVM은 실행 시간에 자바 바이트코드를 분석하여 성능을 향상시키는 JIT (Just-In-Time) 컴파일과 같은 최적화 기법을 적용할 수 있습니다.
  • 자바 바이트코드 실행 과정:
    1. 자바 컴파일러: 자바 소스 코드를 자바 바이트코드로 변환합니다.
    2. 클래스 로더: JVM은 필요한 클래스 파일 (자바 바이트코드가 저장된 파일)을 로드합니다.
    3. 바이트코드 검증기: JVM은 로드된 클래스 파일의 유효성을 검사하여 악성 코드를 차단합니다.
    4. 인터프리터 또는 JIT 컴파일러: JVM은 자바 바이트코드를 해석하여 실행하거나, JIT 컴파일을 통해 기계어로 변환하여 실행합니다.

컴파일러 최적화 (Compiler Optimization)

컴파일러는 자바 소스 코드를 자바 바이트코드로 변환하는 과정에서 다양한 최적화 기법을 적용하여 프로그램의 실행 속도를 향상시키고 메모리 사용량을 줄입니다.

  • 주요 컴파일러 최적화 기법:
    • 상수 전파 (Constant Propagation): 컴파일 시간에 결정될 수 있는 상수 값을 미리 계산하여 코드를 간소화합니다.
    • 데드 코드 제거 (Dead Code Elimination): 실행되지 않는 코드를 제거하여 프로그램 크기를 줄입니다.
    • 루프 언롤링 (Loop Unrolling): 반복문의 일부를 복제하여 반복 횟수를 줄이고 실행 속도를 높입니다.
    • 인라인 함수 확장 (Inline Function Expansion): 함수 호출 부분을 함수 내용으로 대체하여 함수 호출 오버헤드를 줄입니다.

  • 최적화 레벨

    컴파일러는 다양한 최적화 레벨을 제공하여 개발자가 원하는 수준의 최적화를 선택할 수 있도록 합니다. 일반적으로 최적화 레벨이 높을수록 컴파일 시간은 길어지지만, 실행 속도는 빨라집니다.

🏁 마치며

이러한 개념들은 컴퓨터의 작동 방식과 프로그래밍의 기초를 이해하는 데 중요합니다. 각 단계와 구성 요소는 프로그램이 효율적으로 실행되도록 하는 데 필수적인 역할을 합니다. 또한, 컴파일러 최적화는 프로그램의 성능을 향상시키는 데 중요한 기법입니다. 이러한 지식은 프로그래밍과 시스템 설계에 있어 근본적인 이해를 제공합니다.

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