[CS:APP/컴퓨터 시스템] 비트와 컴퓨터 시스템

이 글과 시리즈는 CMU CS:APP 컴퓨터 시스템 책과 대학 수업을 기반으로 작성되었습니다.

 

비트로 표현할 수 있는 것

• 정수
• 부동소수점( 소수점의 위치를 고정하지 않고 나타내는 수)
• 문자 / 문자열
• 명령어(Instruction)
• 주소(Address)

이진 인코딩

• 비트는 0과 1로 이뤄짐.
• 비트는 전기적으로 표현하기 쉬움
• 전압이 있으면 1, 없으면 0
• 숫자 1 -> 0x01
• 문자 '1' -> 0x31 ( ASCII )
• 문자열 "1" -> 0x3100 (null 문자)

부동소수점은 근사 방식이기에, \(15213_{10}\) 과 \( 1.5213 * 10^4\)는 다름

 

바이트

• 8 bit = 1 byte
• \(2^8 = 256 \)개의 데이터 표현 가능
• 이진수로 0000 0000 ~ 1111 1111
• 십진수로  0 ~ 255
• 16진수로 00 ~ FF
  • 0~9, A~F
  • 16진수는 0x 로 표현 
  • ex) 0xFF, 0xFF1B35

컴퓨터 시스템

구성

• CPU / RAM / HDD / BUS / MMU (in OS)
• CPU는 프로그램을 실행하기 위해 메모리로 부터 명령어와 데이터를 가져옴
  • 한번에 하나씩 일을 처리함
• CPU는 컴파일 시점에 결정된 메모리의 Address(가상주소)로 데이터와 명령어를 가져옴
• CPU
  • ALU -> 가감승제 작업 담당
  • Program Counter -> 다음 명령어 주소를 갖고 있는 레지스터
• Memory Management Unit (MMU)
  • OS에 있는 소프트웨어
  • Virtual Address를 Physical Address로 변환
  • 페이지는 \(2^{12}\) = 4096bytes = 4KB 사이즈
    • 가상 메모리를 관리하는 최소 단위
  • 페이지 테이블을 참고해서 변환
  • Page Fault
    • 프로세스가 접근하려는 메모리 페이지가 RAM에 존재하지 않는경우 발생
    • 즉 가상 메모리 페이지에 접근하려는 경우 발생
    • minor page fault -> 페이지 테이블만 업데이트 해주면 됨
      • 이미 페이지가 메모리 내에 있으나, 테이블 업데이트가 안된경우
    • major page fault -> swap 진행
      • 진짜 없는 경우
• ROM vs RAM
  • ROM은 Read only
  • BIOS 나 Firmware 같은거 저장

바이트  메모리 구성

출처: Dennis Kubes

• 프로그램은 주소를 통해 데이터를 참조함
• 매우 큰 바이트 배열과 같음
• 연속된 주소를 갖고 있음

Addressing

• 32bit Addressing Space 기준 \(2^{32}\) 개의 주소를 갖고 있음
• 주소는 각 바이트를 가리킴
  • 메모리당 1바이트를 Byte Addressable 하다 함
  • 32bit address space에서 \(2^{32}\) 바이트 = 4GB 바이트.
• x86-64 에서는 48bit address를 지원
• \(2^{48}\) 바이트의 주소를 가질 수 있음
• 나머지 \(2^{16}\) 은 FF로 채워서 쓰지 않음.
• 주소는 Physical과 Virtual 주소가 있음.
  • 주소는 unsigned integer임
  • 모든 애플리케이션은 virtual address 사용함

Machine Word Size

• 모든 컴퓨터는 Word Size가 있음
• 프로세서가 한번에 처리할 수 있는 데이터 크
• 최근까지 대부분의 컴퓨터는 32비트를 word size로 사용(max 4gb)
• 이제는 64bit을 word size로 사용(max 18EB)
• 인텔은 레거시 때문에 16bit 사용
  • 32bit = double word = DWORD
  • 64bit = quad word = QWORD