기계어와 어셈블리 — 미니 CPU를 직접 몰다

앞 강에서 CPU가 "명령을 꺼내 실행한다"고 했습니다. 그 명령이라는 게 실제로 어떻게 생겼을까요?

이번 강에서는 여러분에게 CPU 한 대를 통째로 드립니다. 아주 작지만 진짜와 같은 얼개예요 — 레지스터 4개, 메모리 256칸, 플래그 4개. 어셈블리를 쓰면 서버가 기계어로 번역해서 한 걸음씩 돌려 줍니다.

미니 CPU 명세

가장 짧은 프로그램

아래 셀에서 ▶ 실행을 누르면 어셈블 결과와 실행 기록이 함께 나옵니다. 기계어 보기를 켜면 어셈블리 한 줄이 어떤 숫자가 되는지 볼 수 있어요.

메모리에 넣고 빼기 — 폰노이만 구조

이번엔 재고를 메모리에 두고 다뤄 봅시다. 프로그램 아래쪽 stock: .WORD 20 이 데이터 칸입니다.

메모리 지도를 보세요. stock 칸은 명령어 바로 뒤에 붙어 있습니다. CPU 입장에서는 둘 다 그냥 숫자예요. 명령으로 읽으면 명령이고, 데이터로 읽으면 데이터입니다.

이게 폰노이만 구조의 힘이자 약점입니다. PC가 실수로 데이터 칸으로 흘러 들어가면 CPU는 데이터를 명령이라고 우기며 실행하려 들어요. 실제 보안 공격의 상당수가 이 틈을 노립니다.

반복 — 고급 언어의 for 문 속살

파이썬의 for i in range(1, 11) 은 CPU 수준에서는 이렇게 생겼습니다.

CMP는 값을 바꾸지 않습니다. 몰래 빼 보고 플래그만 남겨요. 그 플래그를 보고 JLE가 PC를 뒤로 되돌립니다.

즉 if 도 for 도 while 도 전부 "플래그 보고 PC 옮기기"입니다. 10강에서 볼 분기 예측이 왜 성능에 그렇게 중요한지가 여기서 보이기 시작해요 — CPU는 JLE가 뛸지 말지를 미리 찍어야 하거든요.

배열 훑기 — 장바구니 합계

배열이란 결국 연속된 메모리 칸입니다. "다음 상품"으로 가는 건 주소를 INC 하는 것뿐이에요.

함수 호출과 스택

함수를 부르면 돌아올 주소를 어딘가 적어 둬야 합니다. 그 어딘가가 스택이에요.

가장 놀라운 것 — 프로그램이 자기를 고친다

명령어도 그냥 메모리에 든 숫자라면, 프로그램이 자기 명령어를 덮어쓸 수도 있지 않을까요?

됩니다. 아래를 실행해 보세요. LOADI R0, #1 의 '1'이 실행 도중에 99로 바뀝니다.