[컴퓨터구조] CH2. Instructions and High-level to Machine Code

Abstraction ; 추상화

" 복잡한 자료, 모듈, 시스템 등으로부터 핵심적인 개념 또는 기능을 간추려 내는 것 "

Instruction set architecture (ISA)
: 하드웨어와 Low-level 소프트웨어 간의 abstraction interface

현실에서 따지면 기계를 운전하는 사용자에게 제공하는 '차'라는 abstraction layer 같은..

Abstractions in Computer

• Programming using APIs : API를 이용해 프로그래밍
• Operating Sytems : 운영체제, APIs를 제공
• Instruction Set Architecture (ISA) : Assembly language or Machine language
• Hardware Implementation

Hardware/Software Stack in Computer

1. Applications
2. Operating Systems
3. BIOS (Fermware instructions)
4. Instruction Set Architecture(ISA)
   Computer Hardware

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1. Application software : high-level language로 쓰여진 것!
2. System software
   • Compilers : high-level language로 쓰여진 코드를 machine code로 번역
   • Operating Systems
     : input/output Handling, memory and storage 관리, scheduling tasks + sharing resources
   • BIOS (Basic Input/Output System)
3. ISA : hardware와 low-level software 사이의 interface .. assembly programming(low-level language)
4. Hardware : processor, memory, I/O controllers

Instructions

-> 외국인에게 말하려면 그들의 언어를 알아야 하듯, 컴퓨터도 그러함.

컴퓨터의 언어가 바로 instructions!!

• collection of instructions = instruction set
• 서로 다른 CPU는 서로 다른 instruction sets을 가지고 있음

Levels of Program Code

High-level language
: 추상화 영역에 더 가까운 문제영역. productivity and portability함
complie 후에는 cpu가 알아듣게 변환됨 (= not portable)

| C compiler

↓ (one-to-many)

Assembly language
: textual and symbolic representation of instructions
좀 더 상징적(?) 이랄까

| Assembler

↓ (one-to-one)

Machine code(object code or binary)
: binary bits of instructions and data ; 모든 명령과 데이터가 이진 비트로..

linux machine에서 hello.c 를 실행시키기 위해서는 ?

% gcc -g hello.c -o hello
% ./hello

요 과정을 거치면 hello라는 machine code가 생성된다. 요 코드는 binary 또는 executable한 실행파일!
컴파일러를 거쳐서 hello.c. 로부터 hello(executable) 코드로 만들어냈다.

이 때 이 코드는 2진수로 10001011 10111100 이런 식으로 파일이 만들어져있고,

이 파일을 열어보면 8bit씩 문자로 변환해서 문자로 보이게 된다.

 

ex) 0100 0001 = 0x41 = 'A' (In text Editor)

 

 

 

여기서

% objdump -S -D -Mintel hello

를 해주면 assembly code를 사람이 읽을 수 있게끔 만들어줌ㅇㅇ

즉, 완벽하게 기계어로 변하기 직전 사람이 읽을 수 있는 정도의 단계로 한 칸 돌려놔준다고 생각하면 됨.

(-Mintel은 assembly code에 intel format을 사용한다는 이야기!)

 

 

High-level Code to Executable(Binary)

C program

|

| preprocessor

|

Expanded C program

|

| compiler

| (Human-readable assembly code)

assembly code

|

| assembler

|------------------------------ machine code

object code (binary code)

|

| linker <--- library routines

|

executable

|

| loader

|

memory

** gcc 라는 command는 이 모든 과정을 한 번에 처리해주는 아이!

컴파일을 한다는 것은, machine code를 만들기 위해 위와 같은 단계를 거치는 것을 말함.

 

 

1. Preprocessing
: macros와 include한 header files을 가져온달까,

%cpp simple_sub.c > simple_sub.i

 

 

2. Compilation
: preprocessed된 코드를 assembly language로 실제로 컴파일 해주는 단계!

%gcc -S simple_sub.i

그 결과 simple_sub.s가 생성되었다.

 

 

3. Assembler
: 어셈블리 언어를 machine code로 변환하고 object file을 생성한다

%as simple_sub.s -o simple_sub.o

.o 파일은 프로그램의 machine instructions를 포함하고 있다.
(printf의 reference가 정의되지 않는다는데 뭔소리지)

 

 

4. Linker
: compilation의 최종 단계로 object files을 linking 해서 executable한 파일을 만듦 (각종 라이브러리와 코드를 합침)

% ld -dynamic-linker /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 -z relro /usr/lib/x86_64-linux-gnu/crt1.o /usr/lib/x86_64-linux-gnu/crti.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/crtbegin.o -L/usr/lib/gcc/x86_64- linux-gnu/4.4.3 -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3 -L/usr/lib - L/lib -L/usr/lib -L/usr/lib/ -L/usr/lib/x86_64-linux-gnu --as-needed --no-as-needed -lc --as-needed --no-as-needed /usr/lib/gcc/x86_64- linux-gnu/5/crtend.o /usr/lib/x86_64-linux-gnu/crtn.o simple_sub.o -o simple_sub

실제 실행 파일에는 시스템이나 C run-time(crt) 라이브러리의 많은 외부적인 함수들을 필요로 하기 때문에, gcc 내부에서 실제로 사용하는 링크 commands는 매우매우 복잡하당

 

 

이제 이렇게 만들어진 simple_sub를 열어보면 바로 실행이 되는 것을 볼 수 있다!

    %3 - 5 = -2 //output

 

Stored Program Concept

1. instructions과 data는 binary로 나타내지며, 메모리에 저장된다
2. CPU는 이 instructions과 data를 실행하기 위해 fetch 해온다
3. Binary compatibility는 컴파일된 프로그램이 동일한 ISA의 서로 다른 컴퓨터에서도 작동할 수 있도록 해준다.

 

Cross Compiler

• RISC-V machine 없이 RISC-V machine 코드를 만들고 싶으면 어떻게 해야할까??
  놀랍게도 우린 x86 machine으로 RISC-V binaries를 만들 수 있다. 어떻게??
  Cross Compiler를 통해!!!!
• Cross Compiler는 컴파일러가 실행되는 플랫폼이 아니라 다른 플랫폼의 executable code를 만들 수 있는 컴파일러이다.

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우리는 수업에서 RISC-V 를 쓸거기 때문에 RISC-V cross compiler를 이용해서 RISC-V 코드를 만들어 낼 것임 (이클립스 사용) 그리고 이  코드를 RISC-V Simulator인 Jupiter에서 돌려볼 것!