[컴퓨터 구조 및 설계] 2-3. Instructions, Language of the Computer: 실행 흐름

최규상 님의 KOCW 강의 "컴퓨터 구조"를 정리한 글입니다.

* David A. Patterson님과 John L. Hennessy 님의
"컴퓨터 구조 및 설계" 책을 교제로 한 강의입니다. (책의 내용은 포함되지 않았습니다)

 

1. MIPS Addressing for 32-Bit Immediates and Addresses

32-bit Constants

• I-Format 명령어에서 즉시 값은 16비트만 저장 가능 (MIPS의 레지스터 크기는 4byte)
• 따라서 32bit를 처리하려면 2개의 instruction이 필요

lui $s0, 61       # $s0의 상위 16비트에 61을 저장 (lui: Load Upper Immediate)
ori $s0, $s0, 2304 # $s0의 하위 16비트에 2304를 추가 (ori: bitwise OR)

 

Branch Addressing

op (6bit) | rs (5bit) | rt (5bit) | offset (16bit)

• 분기 명령어는 32bit
• PC 값을 기준으로 16비트 오프셋을 적용하여 이동하는 방식
  • offset 값이 16비트이므로 32비트 전체 주소를 표현할 수 없음
  • 이를 해결하기 위해 CPU에서 Target Address 값을 만들때 필요한 offset값만 전달하여 표현함
  • Target Address = PC + offset * 4

 

Loop:
    sll $t1, $s3, 2     # $t1 = $s3 * 4 (배열 인덱스 계산)
    add $t1, $t1, $s6   # 배열 시작 주소($s6) + 인덱스($t1)
    lw $t0, 0($t1)      # 메모리에서 데이터 로드
    bne $t0, $s5, Exit  # 값이 다르면 Exit으로 분기
    addi $s3, $s3, 1    # 인덱스 증가
    j Loop              # 다시 Loop로 점프
Exit:

 

Branching Far Away

• Target Address가 너무 멀어 offset 값으로 표현이 안되면 어셈블러는 Jump Address로 재작성하여 수행함

 

Jump Addressing

• 실행 흐름을 변경하기 위한 명령어

 

구조

op (6bit) | address (26bit)

• address (26 bits)
  • Jump 명령어에서 분기할 타겟 주소를 나타냅니다
• Target Address
  • PC & 0xF0000000 | (address * 4)
  • PC & 0xF0000000: 같은 프로그램 내 명령어만 읽으므로 상위 4비트만 가져옴
  • address * 4: 오프셋값을 26비트로 표현합니다. (4바이트로 메모리가 align되어 있기 때문)

 

2. Parallelism and Instructions: Synchronization

Synchronization Issue

• 여러개의 프로세스가 공유 메모리 영역을 접근할 경우, 데이터 레이스가 발생할 수 있음
• 데이터 레이스는 동기화가 이루어지지 않아 예측 불가능한 결과를 초래할 수 있음

 

하드웨어 지원

• 동기화를 보장하기 위해 하드웨어 수준에서 원자적 연산을 지원해야 함
• atomic read/write memory operation
  • 하나의 연산이 인터럽트 없이 한번에 실행 및 완료되어야 함
  • 실행 중 다른 프로세스가 해당 메모리 영역의 접근을 제한함
  • 이를 활용해서 spin lock이 구현됨

 

spin lock

• 락을 획득하려는 스레드가 CPU를 사용해서 락이 풀릴 때까지 반복적으로 확인하는 방식
• 락이 해제되면, 해당 스레드는 즉시 락을 획득하고 임계 구역으로 진입할 수 있음
• 락을 획득하지 못한 스레드는 대기 상태가 되지 않고 계속해서 루프를 돌며 기다림

 

MIPS에서의 동기화 명령어

load linked

• ll rt, offset(rs)

 

store conditional

• sc rt, offset(rs)

 

3. Translating and Starting a Program

Translation

1. Compile
   • C Program -> (Compiler) -> Assembly language program (.s)
2. Assemble
   • 어셈블러가 어셈블리 코드를 기계어로 변환
   • Assembly language program (.s) -> (Assembler) -> Object: Machine Language module (.o)
   • Object: Library - Machine Language도 함께 변환됨
3. Link
   • 여러 오브젝트 파일과 라이브러리를 하나의 실행 가능한 바이너리 파일로 결합
   • Object: Machine Language module (+ Library) -> (Linker) -> Executable: Machine Language
4. Load
   • 실행 파일을 메모리에 적재
   • 운영체제가 실행을 시작할 준비를 함

 

Assembler Pseudoinstructions

• 어셈블러가 어셈블리언어(수도코드)를 기계어로 변환해줌 

 

Object Module 구성

구성 요소	설명
Header	메타데이터 (파일 크기, 세그먼트 정보, 심볼 테이블 위치)
Text Segment	실행할 기계어 코드 저장
Static Data Segment	초기화된 전역 변수 및 정적 변수 저장
Relocation Info	주소가 확정되지 않은 심볼 정보
Symbol Table	심볼 정보 (변수, 함수 등)
Debug Info	디버깅 정보 (변수 이름, 소스 코드 라인 번호)

 

Linking Object Modules

1. 세그먼트 합치기

• 여러 오브젝트 파일에서 나온 Text Segment, Data Segment 등을 하나로 합침
• 같은 text, data, bss 영역을 병합하여 하나의 실행 파일로 만듦

 

2. 레이블 해결 (주소 결정)

• 함수 호출 및 변수 참조를 위해 실제 메모리 주소를 할당

 

3. external refs 해결

• 한 오브젝트 파일이 다른 오브젝트 파일의 심볼을 참조하는 경우
• 링커가 이를 찾아 연결함

 

4. location-dependent 해결

• 운영체제가 로더를 통해 실제 메모리에 적재할 때, 가상 주소를 실제 물리 주소로 다시 매핑

 

Loading a Program

1. 실행 파일을 디스크에서 메모리로 올림
2. 헤더로 세그먼트 사이즈 확인
3. 가상 메모리 공간에 올림
   • 직접 로드하지 않고 가상 주소를 설정
   • 최소 필요한 부분만 물리 메모리에 적재하고 추가적으로 필요할 때 물리 메모리에 적재함
   • 실행이 시작되면 MMU가 페이지 테이블을 조회하여 가상 주소를 물리 주소로 변환함
4. 스택에 아규먼트 셋업
   • 실행할 떄 전달된 명령줄 인자와 환경 변수를 스택에 저장
5. 레지스터 초기화 (SP, PC 셋팅)
6. 스타트업 루틴으로 점프
   • C 런타임 초기화
   • main() 함수 호출

 

출처

• KOCW - 컴퓨터 구조 (최규상 교수님)