[System] 컴퓨터 구조, 폰 노이만 구조, x86-64, 레지스터

출처 : 드림핵 시스템해킹 로드맵 stage 2 https://dreamhack.io/ 정리
 

들어가며

오늘은 컴퓨터 구조와 ISA(명령어 집합 구조), x86-84에 대해 알아볼 것이다.
 

 

컴퓨터 구조

간단하게 생각해보자. 컴퓨터는 데이터를 저장하는 메모리, 그 메모리에서 데이터를 꺼내와서 연산하는 CPU, 네트워크 통신을 다루는 LAN 카드, 소리를 다루는 사운드 카드 등 여러 기능들로 이루어져 있다. 그리고 그 기능들이 서로 상호작용하면서 컴퓨터라는 하나의 기기를 만들어내는 것이다.
이렇게 컴퓨터를 어떻게 설계해서 하나의 기기를 만들어내느냐? 에서 그 '설계'를 우리는 '컴퓨터 구조(아키텍쳐)'라고 할 수 있겠다.
 
- 기능에 대한 설계: 어떻게 연산을 효율적으로 할 것인가? 그러기 위해서는 어떠한 기능들이 필요한가?
ex) 폰 노이만 구조, (수정된) 하버드 구조
 
- 명령어 집합 구조(ISA) : CPU가 해석하는 명령어의 집합
-> 명령어가 어떤 방식으로 되어있는지? -> CPU 명령어에 대한 설계
 
- 마이크로 아키텍처(Micro Architecture)
-> CPU의 하드웨어적 설계 -> CPU 회로를 설계하는 것
 
 

폰 노이만 구조

RAM에서 데이터 꺼내와서 CPU가 연산 진행

폰 노이만 구조는 컴퓨터에서 가장 유명한 기능 구조!! 그러니까 기능 구조가 이런거다. 어떻게 연산을 가장 효율적으로 빠르게 할 수 있는지에 대한 설계!!
 

CPU(Centeral Processing Unit), 중앙 처리 장치

• 컴퓨터의 두뇌! 즉 연산을 하는 애 (그럼 연산은 어떻게~? 명령어로!! 이건 자세히 공부 필요할듯)
• 연산은 메모리에 있는 데이터를 가져와서, '레지스터'라는 임시보관함에 넣어둬서 함
• ALU(Arithmatic Logic Unit) : 산술, 논리 연산
• CU(Control Unit) : CPU 제어
• Register/ Cache :메모리에서 델꼬온 데이터들을 놔두는 곳

 

Memory, 기억장치 : 그냥 데이터를 저장하는 곳

• 말그대로 데이터를 저장하는 곳이다
• 주기억장치(임시 기억장치!! 프로그램 실행시 필요한 데이터들이 저장된다!! 임시로~) 대표적으로 RAM(Random Access Memory)
• 보조 기억장치 - 찐 기억 장치라고 생각하면 편함. 오래동안 저장해야하는 데이터들을 여기다 저장함 ex) HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Drive)

 

Bus - 전송 담당하는 애

• 컴퓨터 부품과 부품 사이 또는 컴퓨터와 컴퓨터 사이에 신호를 전송하는 통로
• 데이터가 이동하는 데이터 버스(Data Bus)
• 주소를 지정하는 주소 버스(Address Bus)
• 읽기/쓰기를 제어하는 제어 버스(Control Bus)
• 이 외에도 랜선이나 데이터 전송 소프트웨어, 프로토콜 등도 버스라고 불림

 

레지스터와 메모리가 나뉘어져 있는 이유? -> CPU의 속도가 메모리에서 데이터를 처리하는 속도보다 훨씬 빠름. 그래서 레지스터 없이 그냥 메모리에서 데이터를 가져올 경우 CPU는 빠른 속도를 가지고 있음에도 불구하고 노는 시간이 많아짐. 그래서 따로 레지스터라고 임시 기억장치를 둬서 걔네가지고 처리하는 것

 

x86-64 구조

ISA 아키텍쳐(명령어 집합 구조/규칙) 의 하나로 가장 유명한것!!
 
n 비트 아키텍처란?

• WORD : CPU가 ‘한번에’ 처리할 수 있는 데이터 크기 (즉 CPU가 한방에 이해할 수 있는 데이터의 단위라고 보면됨!!) → 이게 크면 성능이 좋은 거겠지? 왜냐면 한 번에 처리할 수 있는 양이 다른거니까!  ex) 64bit, 32bit 에서 64,32가 각각 WORD임. 64bit 아키텍쳐는 CPU가 한번에 64bit을 처리할 수 있다는 의미!
• 요즘 pc는 대부분 64bit
• 가상 메모리?  -> cpu가 ‘프로세스’에 제공하는 가상의 메모리 공간 (32bit 보다 64bit가 제공할 수 있는 가상메모리의 크기가 훨씬 큼(16엑사 바이트 vs 4기가 바이트) 따라서 64bit가 더 조음
• 32bit면 가상메모리가 작아서 고사양 게임 같은 건 어려울 수도 있음

 

레지스터

CPU가 데이터를 '빠르게' 저장하고 사용하기  위해 사용하는 CPU에서 사용하는 임시 보관소라고 보면된다. (RAM이랑 나눠져 있는 이유는 위에서 설명했음)
산술 연산에 필요한 데이터나 주소, 참조 등에 사용됨
ex) x64에 있는 레지스터 종류: 범용 레지스터, 세그먼트 레지스터, 명령어 포인터 레지스터, 플래그 레지스터 등
 

범용 레지스터 🧺

• 8바이트 저장 (64bit) (0~2^64-1)
• 주용도가 정해져 있는 것도 있지만 다른 용도들로도 쓰임
• 아래와 같은 애들이 있다!!

이름	주용도
rax	함수 반환 값
rbx	x64에서는 주된 용도 x
rcx	반복문에서 반복횟수(counter), 연산 시행 횟수 등
rdx	x64에서는 주된 용도 x
rsi(source index)	데이터 옮길 때 원본 가리키는 포인터
rdi(desination index)	데이터 옮길 때 목적지 가리키는 포인터
rsp(stack pointer)	스택 위치 가리키는 포인터
rbp(stack base pointer)	스택 바닥 가리키는 포인터

 

세그먼트 레지스터 🗂️

• cs,ss,ds,es,fs,gs 총 6가지 존재
• 크기 : 16bits (2 bytes)

 

명령어 포인터 레지스터 👇

• 프로그램은 기계어 코드로 이루어져 있는데, CPU가 어느 부분의 코드 사용할지 거기를 가리키는게 명령어 포인터 레지스터!!
• rip라고 불리고 8byte임

 

플래그 레지스터 🏴

• 프로세스의 현재 상태를 저장하고 있는 레지스터!
• 64bit이지만 하단 20개 정도만 사용
• 현재 상태? ex) 연산결과 음수?(SF) 0? 비트범위 넘을 경우?(CF-부호 없는 수/OF-부호 있는 )

 

레지스터 호환

R?X는 64bit 그 하위 절반이 E?X, 또 그 절반이 AX....

rax=0xabcdefff12345678이면 ?

eax =0x12345678

ax = 0x5678

ah = 0x56 al=0x78

 
 

퀴즈

0x0123456789abcdef를 보면 하나의 문자 (0,1,2,..)는 각각 16진수(4bit) 숫자이다. 그러면 두문자를 합치면 한 바이트가 되므로, 0x0123456789abcdef는 8byte(64bit) 숫자이다.
al는 하위 1byte이므로 0xef이다.
 

  ax는 하위 2byte이므로 0xcdef이다
 

ZF(Zero Flag)는 플래그 레지스터(프로세스 상태 나타냄)의 플래그로 연산 결과가 0일때 설정된다.
따라서 답은 C!
 

rax의 아래쪽반띵이 eax 이므로 eax=0x89abcdef이다
 

0xcdef가 ax이고 여기 상위 1byte가 ah이므로 ah는 0xcd이다.