Computer Architecture

1. 컴퓨터 구조(Computer Architecture)

컴퓨터 과학에서는 PC설계를 여러 하드웨어가 개발되고, 이들을 조립해서 컴퓨터가 완성한 것이 컴퓨터 구조!

📜개요📜

• 컴퓨터 구조(Computer Architecture)
• 명령어 집합 구조(Instruction Set Architecture, ISA)
• 범용 레지스터(General Register)
• 세그먼트 레지스터(Segment Register)
• 플래그 레지스터(Flag Register)
• 명령어 포인터 레지스터(Instruction Pointer Register, IP)

 

컴퓨터는 각자 다른 기능을 수행하는 여러 부품들의 도움으로 작동합니다.

CPU는 컴퓨터의 작동에 핵심이 되는 연산을 처리하고, 저장장치는 데이터를 저장합니다.

 

이 외에도 GPU는 그래픽 데이터를, 랜카드는 네트워크 통신을, 사운드 카드는 소리 데이터를 처리하는 것에 특화

각 부품들은 특징이 뚜렷하여 컴퓨터에서 고유의 기능을 수행합니다.

이처럼 서로 다른 부품들이 모여서 ‘컴퓨터’라는 하나의 기계로서 작동할 수 있는 것은 컴퓨터에 대한 기본 설계의 존재

 

전체적인 컴퓨터 구조 중에서 특히 CPU가 사용하는 명령어와 관련된 설계
명령어 집합구조(Instruction Set Architecture, ISA)

가장 널리 사용되는 ISA 중 하나가 인텔의 x86-64 아키텍처입니다.

이 커리큘럼 또한 x86-64 아키텍처를 대상으로 작성됐으므로, 이 아키텍처를 간단히 짚고 넘어갈 것입니다.

📢컴퓨터 과학을 배워야하는 이유
시스템 해킹의 기술은 컴퓨터 과학에 뿌리를 두고 있습니다. 따라서 숙련된 시스템 해커가 되기 위해선 단순히 알려진 기술을 습득하는 것에 그치지 않고 바탕이되는 컴퓨터 과학을 이해하기 위해 노력해야 합니다!!

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2. 컴퓨터 구조와 명령어 집합 구조

컴퓨터가 효율적으로 작동할 수 있도록 하드웨어 및 소프트웨어의 기능을 고안하고, 이들을 구성하는 방법

✔️컴퓨터 구조의 세부 분야

• 기능 구조의 설계
  • 폰 노이만 구조
  • 하버드 구조
  • 수정된 하버드 구조

• 명령어 집합구조
  • x86, x86-64
  • ARM
  • MIPS
  • AVR
• 마이크로 아키텍처
  • 캐시 설계
  • 파이프라이닝
  • 슈퍼 스칼라
  • 분기 예측
  • 비순차적 명령어 처리
• 하드웨어 및 컴퓨팅 방법론
  • 직접 메모리 접근

 

컴퓨터 구조는 컴퓨터의 기능 구조에 대한 설계, 명령어 집합구조, 마이크로 아키텍처, 그리고

기타 하드웨어 및 컴퓨팅 방법에 대한 설계 등이 포함됩니다. 

 

"컴퓨터의 기능 구조에 대한 설계"란 컴퓨터가 연산을 효율적으로 하기 위해
어떤 기능들이 컴퓨터에 필요한지 고민하고, 설계하는 분야

Ex) 대표적으로 폰 노이만 구조, 하버드 구조, 수정된 하버드 구조가 있습니다.

 

CPU의 하드웨어적 설계는 마이크로 아키텍처(Micro Architecture)라고 불리며 정의된 명령어 집합을 효율적으로 처리할 수 있도록, CPU의 회로를 설계하는 분야입니다.

 

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폰 노이만 구조

컴퓨터에 연산, 제어, 저장의 세 가지 핵심 기능

 

연산과 제어를 위해 중앙처리장치(Central Processing Unit, CPU)를, 저장을 위해 기억장치(memory)를 사용

그리고 장치간에 데이터나 제어 신호를 교환할 수 있도록 버스(bus)라는 전자 통로를 사용

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중앙처리장치🧠

CPU는 프로그램의 연산을 처리하고 시스템을 관리하는 PC의 두뇌!!

 

 프로세스의 코드를 불러오고, 실행하고, 결과를 저장하는 일련의 모든 과정이 CPU에서 일어납니다.

CPU는 산술/논리 연산을 처리하는 산술논리장치(Arithmetic Logic Unit, ALU)와 CPU를 제어하는 제어장치(Control Unit), CPU에 필요한 데이터를 저장하는 레지스터(Register) 등으로 구성됩니다.

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기억장치💾

동작하는데 필요한 여러 데이터를 저장하기 위해 사용되며, 용도에 따라 주기억장치와 보조기억장치로 분류!!

 

 주기억장치는 프로그램 실행과정에서 필요한 데이터들을 임시로 저장하기 위해 사용되며, 대표적으로 램(Random-Access Memory, RAM)이 있습니다. 이와 반대로 보조기억장치는 운영 체제, 프로그램 등과 같은 데이터를 장기간 보관하고자 할 때 사용됩니다. 대표적으로 하드 드라이브(Hard Disk Drive, HDD), SSD(Solid State Drive)가 있습니다.

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버스🚌

컴퓨터 부품과 부품 사이 또는 PC와 PC 사이에 신호를 전송하는 통로!!

 

 대표적으로 데이터가 이동하는 데이터 버스(Data Bus), 주소를 지정하는 주소 버스(Address Bus), 읽기/쓰기를 제어하는 제어 버스(Control Bus)가 있습니다. 이 외에도 랜선이나 데이터 전송 소프트웨어, 프로토콜 등도 버스라고 불립니다.

💡기억장치가 있는데 CPU안에 레지스터가 왜 필요한가요?

 CPU는 굉장히 빠른 속도로 연산을 처리하는데, 이를 위해 데이터의 빠른 교환이 필요합니다.
CPU의 연산속도가 기억장치와의 데이터 교환속도보다 압도적으로 빠르기 때문에, 기억장치만을 사용하면 병목현상이 발생하기에 CPU는 교환속도를 획기적으로 단축하기 위해 레지스터와 캐시라는 저장장치를 내부에 보유!

 

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명령어 집합 구조(Instruction Set Architecture, ISA)

 

CPU가 해석하는 명령어의 집합을 의미

다양한 ISA 출시 이유는 모든 컴퓨터가 동일한 수준의 연산 능력을 요구하지 않으며, 컴퓨팅 환경도 다양하기 때문

프로그램은 기계어로 이루어져 있는데, 프로그램을 실행하면 이 명령어들을 CPU가 읽고, 처리합니다.

예시로써 인텔의 x86-64는 고성능 프로세서를 설계하기 위해 사용됩니다. 이를 기반으로한 CPU들은 많은 전력을 소모하며, 발열도 상대적으로 심합니다. 그러므로 안정적으로 전력을 공급할 수 있고, 냉각 장치를 구비하는데 공간상의 부담이 크지 않은 데스크톱 또는 랩톱에 적합합니다.

많은 아키텍처 중에서 이 커리큘럼은 x86-64아키텍처만을 대상으로 하는데, 그 이유는 윗쪽 원형 그래프에서 볼 수 있듯, 인텔의 x86기반 CPU의 점유율이 압도적이기 때문입니다. 해서 지금은 가장 범용적인 x64아키텍처를 대상으로 시스템 해킹다룰 예정이며, 다른 아키텍처는 심화 커리큘럼에서 다루겠습니다.

 

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x86-64 아키텍처

 인텔의 32비트 CPU 아키텍처인 IA-32를 64비트 환경에서 사용할 수 있도록 확장한 것

 

‘64비트 아키텍처', '32비트 아키텍처’에서 64와 32는 CPU가 한번에 처리할 수 있는 데이터의 크기입니다.

컴퓨터 과학에서는 이를 CPU가 이해할 수 있는 데이터의 단위라는 의미에서 WORD라고 부릅니다.

 

💡WORD가 크면 유리한 점 :가상메모리는 CPU가 프로세스에게 제공하는 가상의 메모리 공간인데,
64비트 아키텍처에서는 이론상 16엑사 바이트(=16,777,216 테라바이트)의 가상메모리를 제공하며,
이는 웬만해서는 완전한 사용이 불가능할 정도로 큰 크기이기 때문입니다. 고로 자원 문제 해결!

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x86-64 아키텍처: 레지스터

레지스터는 CPU가 데이터를 빠르게 저장하고 사용할 때 이용하는 보관소로 다양한 방면으로 사용됨

 

• x64 아키텍처: 레지스터
  • 범용 레지스터(General Register)
  • 세그먼트 레지스터(Segment Register)
  • 명령어 포인터 레지스터(Instruction Pointer Register, IP)
  • 플래그 레지스터(Flag Register)

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범용 레지스터 🧺

범용 레지스터는 주용도는 있으나, 그 외의 다양한 용도로 사용될 수 있는 레지스터

 

자주 쓰이는 범용 레지스터들의 주용도는 다음과 같습니다.

이 외에도 x64에는 r8, r9, … , r15까지의 범용레지스터가 더 존재합니다.

이름                                                       주용도

rax (accumulator register)	함수의 반환 값
rbx (base register)	x64에서는 주된 용도 없음
rcx (counter register)	반복문의 반복 횟수, 각종 연산의 시행 횟수
rdx (data register)	x64에서는 주된 용도 없음
rsi (source index)	데이터를 옮길 때 원본을 가리키는 포인터
rdi (destination index)	데이터를 옮길 때 목적지를 가리키는 포인터
rsp (stack pointer)	사용중인 스택의 위치를 가리키는 포인터
rbp (stack base pointer)	스택의 바닥을 가리키는 포인터

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세그먼트 레지스터 🗂️

x64 아키텍처에는 cs, ss, ds, es, fs, gs 총 6가지 세그먼트 레지스터가 존재

 

• CS 레지스터
  • CS레지스터는 프로그램의 코드 세그먼트의 시작 주소를 포함한다.
    - 세그먼트 주소에 명령어 포인터(instruction pointer, IP) 레지스터의 오프셋 값을 더하면,
    실행하기 위해 메모리로부터 가져와야 할 명령어의 주소입니다.
• DS 레지스터
  • DS 레지스터는 프로그램의 데이터 세그먼트의 시작 주소를 포함합니다.
    - 명령어는 이 주소를 사용하여 테이터의 위치를 확인한다
• SS 레지스터
  • SS 레지스터는 메모리 상에 스택의 구현을 가능하게 한다.
    - 프로그램은 주소와 데이터의 임시 저장 목적으로 스택을 사용한다.
• ES 레지스터
  • CS레지스터는 프로그램의 코드 세그먼트의 시작 주소를 포함한다.
    - 프로그램이 ES 레지스터를 사용할 경우에, 이 레지스터를 적절한 세그먼트 주소로 초기화해야 한다
• FS와 GS 레지스터
  • 기억장치 요구사항을 다루기 위해 추가로 도입된 여분의 세그먼트 레지스터입니다.

현대의 x64에서 cs, ds, ss 레지스터는 코드 영역과 데이터, 스택 메모리 영역을 가리킬 때 사용되고,

나머지 레지스터는 운영체제 별로 용도를 결정할 수 있도록 범용적인 용도로 제작된 세그먼트 레지스터입니다.

 

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명령어 포인터 레지스터 👇

CPU가 어느 부분의 코드를 실행할지 가리키는게 명령어 포인터 레지스터의 역할

 

x64 아키텍처의 명령어 레지스터는 rip이며, 크기는 8바이트입니다.

 

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플래그 레지스터 🏳️🏴

프로세서의 현재 상태를 저장하고 있는 레지스터

플래그 레지스터는 자신을 구성하는 여러 비트들로 CPU의 현재 상태를 표현합니다.

RFLAGS는 64비트이므로 최대 64개의 플래그를 사용할 수 있지만, 실제로는 오른쪽의 20여개의 비트만 사용함

그리고 그 중에서도 여러분이 앞으로 주로 접하게 될 것들은 다음과 같습니다.

 

플래그의미

CF(Carry Flag)	부호 없는 수의 연산 결과가 비트의 범위를 넘을 경우 설정 됩니다.
ZF(Zero Flag)	연산의 결과가 0일 경우 설정 됩니다.
SF(Sign Flag)	연산의 결과가 음수일 경우 설정 됩니다.
OF(Overflow Flag)	부호 있는 수의 연산 결과가 비트 범위를 넘을 경우 설정 됩니다.

예시로 3의 값을 갖는 a와 5의 값을 갖는 b가 있을 때, a에서 b를 빼는 연산을 하면, 연산의 결과가 음수이므로 

SF가 설정됩니다. 그러면 CPU는 SF를 통해 a가 b보다 작았음을 알 수 있습니다.

 

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레지스터 호환

앞에서 x86-64 아키텍처는 IA-32의 64비트 확장 아키텍처이며, 호환이 가능

 

IA-32에서 CPU의 레지스터들은 32비트 크기를 가지며, 이들의 명칭은 각각 eax, ebx, ecx, edx, esi, edi, esp, ebp이자만,호환성을 위해 이 레지스터들은 x86-64에서도 그대로 사용이 가능합니다.

 

rax, rbx, rcx, rdx, rsi, rdi, rsp, rbp가 이들의 확장된 형태이며, eax, ebx 등은 확장된 레지스터의

하위 32비트를 가르킵니다. 예를 들어, eax는 rax의 하위 32비트를 의미합니다.

또한 마찬가지로 과거 16비트 아키텍처인 IA-16과의 호환을 위해 ax, bx, cx, dx, si, di, sp, bp는 eax, ebx, ecx, edx, esi, edi, esp ,ebp의 하위 16비트를 가르킵니다.

 

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결론

• 범용 레지스터(General Register): 주 용도는 있으나, 그 외의 용도로도 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터.
  x64에는 rax, rbx, rcx, rdx, rsi, rdi, rsp, rbp, r8-r15가 있다.
• 세그먼트 레지스터(Segment Register): 과거에는 메모리 세그멘테이션이나, 가용 메모리 공간의 확장을 위해
  사용됐으나, 현재는 주로 메모리 보호를 위해 사용되는 레지스터 x64에는 cs, ss, ds, es, fs, gs가 있다.
• 플래그 레지스터(Flag Register): CPU의 상태를 저장하는 레지스터
• 명령어 포인터 레지스터(Instruction Pointer Register, IP): CPU가 실행해야할 코드를 가리키는 레지스터.
  x64에서는 rip가 있다.

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참고 자료(단, 위 부분은 제가 배운 내용 요약에 가깝기 때문에 거의 위 내용과 같습니다.)

Background: Computer Architecture

참고 이미지

Background: Computer Architecture