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1. A Tour of Computer Systems

1.1 Information is bits + context#

The only thing that distinguishes different data objects is the context in which we view them.

서로 다른 데이터임을 구별할 수 있는 유일한 방법은 그것을 바라보는 문맥 뿐이다.

1.2 Programs are translated by other programs into different forms#

  • 전처리기
    • 헤더파일 포함, 각종 매크로 치환 후 텍스트 파일 출력
  • 컴파일러
    • C 코드를 CPU 아키텍처와 맞는 명령어셋의 어셈블리 언어로 출력. (텍스트 파일)
  • 어셈블러
    • 어셈블리 언어를 기계어로 변환하고 목적파일로 출력 (이진파일)
  • 링커
    • 이진파일로부터 실행 가능한 파일을 만들기 위해 relocatable object들의 주소를 정확한 위치로 할당시킨다.
      • relocatable object란?: 정적 라이브러리나 동적 라이브러리들이 정의한 변수, 함수등을 가리키는 포인터. 테이블의 형태로 존재하고 링킹작업 전에는 말 그대로 비어있다.

추가

  • 로더
    • 실행파일을 메모리에 올리고 PC(Program Counter)를 설정하는 프로그램. COW (Copy On Write) 메모리 주소 참조, 동적 라이브러리 로드도 담당한다.

1.3 It pays to understand how compilation system work#

컴파일이 진행되는 방법을 알면 코드를 최적화 시킬 수 있고, 보안취약점으로부터 안전한 코드를 작성할 수 있으며, 링크 타임 에러를 해결할 수 있게 된다.

1.4 Processors read and interpret instructions stored in memory#

셸의 역할: 사용자의 명령을 입력으로 받아 다양한 일을 수행하는 프로그램. 실행 가능한 프로그램을 실행시켜 새 프로세스로 만들어주는 역할을 담당한다.

시스템을 구성하는 하드웨어 컴포넌트 - Buses buses and hierarchical buses {os} - I/O Devices - Main Memory - Processor

Thus, we can distinguish the processor's instruction set architecture, describing the effect of each machine-code instruction, FROM its microarchitecture, describing how the processor is actually implemented.
따라서, 우리는 프로세서의 설계도인 마이크로아키텍쳐와 각각의 기계어가 의미하는 바를 설명하는 명령어 셋 아키텍처 간의 차이를 구별할 수 있습니다.

DMA
Directed Memory Access라고, 우리가 영속저장장치에 저장된 실행 가능한 파일을 실행시킬 때 CPU를 거치지 않고 바로 메모리에 직빵으로 올려버리는 방법이 있다. 그것은 Direct Memory Access Controller라고 불리우는 별도의 칩이 있기에 가능하다.

1.5 Caches matter#

저장장치는 크기가 클수록 느리고, 멀수록 느리다. CPU가 데이터를 처리하는 속도의 증가량보다 메모리가 데이터를 처리하는 속도의 증가량이 느리기 때문에 이 차이는 시대가 지날수록 커진다. 따라서 메인 메모리와 CPU 사이에 캐시를 다단계로 갖추어 중요하고 자주 접근할 데이터들을 빠르게 접근할 수 있도록 만들었다.

localities - 공간적 지역성 - 한 메모리를 참조하게 되면 그 주변도 같이 참조할 가능성이 높다. - 시간적 지역성 - 한 메모리를 참조하게 되면 다시 참조될 가능성이 높다.

1.6 Storage devices form a hierarchy#

register > L1 cache > L2 cache > L3 cache > main memory > disk storage > network

1.7 The operating system manages the hardware#

프로그램이 실행될 때 우리는 하드웨어를 독점적으로 사용하고 있다는 착각을 하게 만든다. 그 기저엔 운영체제가 깔려있고, 운영체제는 레이어로 구현되어있다. 하드웨어를 다루는 작업 (printf, scanf 등등)을 수행할 때에도 하드웨어를 컨트롤 하는 레이어의 인터페이스를 사용하는 수밖에 없다. 레이어 간의 추상화 덕분에 보안상의 이점도 가져가고, 인지부하도 줄일 수 있게 되었다.

다양한 추상화들 - ISA(Instruction Set Architecture)는 기계의 동작을 추상화했다. - 프로세스는 프로세서를 추상화했다. context switching 덕분에, 프로세서의 개수에 제약을 받지 않고 원하는 만큼의 프로세스를 실행할 수 있게 되었다. - 파일은 디스크 IO 디바이스를 추상화했다. - 가상메모리는 디스크와 메인 메모리를 추상화했다. - 가상 운영체제는 위의 모든 것을 추상화했다. (개쩌는데?) 😮

프로세스
syscall은 커널 코드와 유저 코드를 분리하는 인터페이스이다

스레드
하나의 프로세스 안에서도 여러개의 실행흐름이 존재할 수 있다.

가상 메모리 - [?] ~~왜 스택이 위에서 아래로 자라고 힙이 아래에서 위로 자라지? brk는 어디에 붙어있더라? ~~ - 04. process {SP} 에서 볼 수 있듯이, 스택은 높은 주소에서부터 시작해 아래로 향하고, 힙은 낮은 주소에서부터 시작해 올라간다. brk는 힙의 경계에 붙어있다. - [?] Memory-mapped region for shared libraries는 어디에 끼어있는거지?
스크린샷 2023-08-27 오후 9.33.41.png

  • Program Code, Data (text 영역)
  • Heap 영역
  • Shared Libraries영역이 가상메모리의 중간에 존재한다고? 들어본 적이 없는데?
  • Stack 영역은 모든 함수와 지역변수들이 쌓이는 공간이다.
  • 커널 가상 메모리 영역은 커널코드를 직접 손대는 것으로부터 방지하기 위해 마련된 공간이다.

Files

유닉스 시스템에서 모든 것은 파일이다. IO기기나 네트워크도 파일이라는거.

1.8 Systems communicate with other systems using networks#

WWW, FTP, SSH 등 다양한 애플리케이션들이 네트워크 어댑터를 사용하여 통신한다.

1.9 Important themes#

  • Amdahl's Law(암달의 저주)
    • 병목현상으로 인해 한 컴포넌트의 성능향상이 실제로 유의미한 변화를 주기 어렵다. \(T_{old}\) 시간이 걸리던 한 시스템 중 일부를 개선하여 \(k\) 배 성능향상을 이뤄냈다고 해보자. 만약 이 컴포넌트 실행시간이 전체 시스템의 \(\alpha\) 만큼의 비중을 가지고 있다면 전체 시스템 성능향상 \(T_{new}\)은 어느정도일까?
\[ \begin{align} T_{new} &= (1-\alpha)\cdot T_{old} ~+~ \frac{\alpha \cdot T_{old}}{k} \\ &= T_{old} ((1-\alpha)+\frac{\alpha}{k}) \end{align} \]
    • 그래서 전체 시스템의 60퍼센트의 실행시간을 차지하는 한 컴포넌트를 3배 빠르게 만들었을 때 전체 시스템의 속도는 이전에 비해 1/(0.4 + 0.6 / 3) = 1.6667 배 빨라지게 된다.

  • Concurrency and Parallelism

    • Thread Level Parallelism: 멀티 프로세서로 인해 컴퓨터는 동시에 수행할 수 있는 작업의 양이 늘어났다. 하이퍼스레딩 기술을 사용하여 코어 하나당 두개의 스레드를 동시에 실행하는 것을 보장한다.
    • Instruction Level Parallelism: Superscala Processors라고 불리우는 파이프라이닝을 통해서 클록 사이클 수회를 차지하는 명령어를 계단 형태로 배치하여 한 사이클 당 하나의 명령어가 실행 완료가 되게 구성할 수 있다.
    • [!] Single Instruction Multiple data (SIMD): 한 번에 8개의 실수연산을 수행하도록 하드웨어가 구성되어있어 보다 빠르게 행렬연산을 수행할 수 있다. GCC 컴파일러는 C 코드로부터 SIMD 명령어를 식별해 낼 수 있다.

  • Layer and Abstractions

    소프트웨어 공학의 역사는 추상화 수준을 높히는 방향으로 진행되어왔다. | 20230522 김충환 회고강사특강#협력을 통한 추상화

    • API (Application Programming Interface): 프로그래머들이 기능을 제공하기 위해 묶어놓은 함수나 클래스의 집합