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CPU 아키텍처.md

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Instruction Set Architecture

  • ISA는 CPU가 이해하고 실행할 수 있는 명령어 집합이며, 특정 아키텍처의 하드웨어와 소프트웨어 간의 인터페이스이다.
  • 각각의 CPU 아키텍처는 고유한 ISA를 가진다.
  • 이 명령어 집합들은 운영체제와 어플리케이션에 사용된다.

CPU 아키텍처

  • CPU의 설계와 명령어 집합(ISA)을 정의하는 방식이다.
  • 아키텍처란 다른 하드웨어와 소프트웨어 간의 상호 작용을 가능하게 하는 인터페이스이다.
  • CPU의 내부 구성 요소, 데이터 버스, 레지스터, ISA를 포함하는 시스템의 전반적인 구조와 동작을 나타내는 개념이고, ISA는 CPU가 이해하고 실행할 수 있는 명령어 집합을 정의하는 개념이다. 엄밀하게는 약간의 차이가 있지만 서로 교환 가능한 용어이다.

CPU 아키텍처 종류

  • x86
    • Intel 기반 32bit CPU
    • x86은 32bit CPU의 대표명사처럼 불린다.
    • Windows, Linux, Mac OS (BigSur까지) 지원
  • x86_64 (amd64)
    • Intel 기반 64bit CPU, x86과 호환된다.
    • Windows, Linux, Mac OS (BigSur까지) 지원
  • arm
    • RISC(Reduced Instruction Set Computer) 아키텍처
    • 저전력 소비, 높은 효율성
    • arm 기반 32bit CPU
    • x86과 아예 달라서 호환이 불가능하다.
    • Linux, Mac OS (Monterey부터), Android, iOS
  • arm64
    • arm 기반 64bit CPU, 32bit arm과 호환된다.
    • Linux, Mac OS (Monterey부터), Android, iOS
    • 같은 소스 코드이지만 컴파일 환경이 다르면 다른 실행 파일이 생성된다.
    • x86_64에서 실행하도록 컴파일 된 파일은 x86_64의 ISA를 사용해서 컴파일됨.
    • arm64에서 실행하도록 컴파일 된 파일은 arm64의 ISA를 사용해서 컴파일됨.
    • x86_64에서 실행되도록 컴파일된 파일을 arm64에서 실행하려면 해당 파일을 arm64 ISA에 맞게 재컴파일하여 새로운 실행 파일을 생성하거나, 크로스 컴파일러를 사용해야 함.

크로스 컴파일

  • 일반적으로 컴파일러는 동일한 플랫폼에서 실행되는 바이너리 파일을 생성한다.
  • 그러나, 다른 플랫폼의 아키텍처에서 돌아갈 수 있도록 컴파일하는 것을 크로스 컴파일이라고 한다.
    • 맥북에서 안드로이드 스튜디오를 설치하고 소스코드를 빌드해서 apk 실행파일을 만든 것을 크로스 컴파일 과정으로 볼 수 있다.

운영체제와 CPU 아키텍처

  • 각각의 운영체제는 다양한 CPU 아키텍처를 지원한다.
  • Linux도 x86_64, arm64 등 다양한 아키텍처에서 실행될 수 있음.
  • Linux나 Windows 운영체제에서 x86이라고 부르면 32bit CPU 전용 OS이고, x64라고 부르면 64bit CPU 전용 OS라고 통용된다.
  • 하지만 특정 버전의 운영체제가 특정 CPU 아키텍처를 지원하지 않을 수 있다.
  • Intel Mac은 CPU가 x86_64이기 때문에 이를 지원하는 운영체제를 사용하고, M1 Mac은 CPU가 arm이기 때문에 이를 지원하는 다른 버전의 운영체제를 쓴다.

M1 Mac에서 인텔용 프로그램이 돌아가는 이유는 Rosseta 에뮬레이터 덕분이다.
arm 내부에 x86 가상환경을 만들고, 그 안에서 실행하는 방식이다.

운영체제 별 실행파일

  • 소프트웨어는 실행되기 위해 컴파일 되어야 한다.
  • 하지만 대부분의 라이브러리는 특정 CPU 아키텍처에 맞게 사전 컴파일 되어있어서, 해당 라이브러리를 활용해서 컴파일한다.
    • Linux: \*.so
    • 윈도우: \*.dll
  • 프로그램은 컴파일된 바이너리이다.
  • 따라서 어떤 운영체제에서, 어떤 CPU 아키텍처에 대해 컴파일 했는지에 따라 결과물이 달라진다.

참고