CSAPP

📝 상세 정리 # 이제 순차적 프로세서 (SEQ)를 먼저 만들 것이다. 각 클록사이클에서, 완전한 명령어를 처리하는 모든 단계를 수행한다. 그래서 느릴 것이다! 4.3.1 Organizing Processing into Stages # 일반적으로, 명령어 처리에는 여러 연산이 수반된다. 우리는 그 모든 명령어가 일관된 단계 시퀀스를 따르도록 하고싶다. 과정은 다음과 같다 Fetch PC를 메모리주소로 사용하여 명령어 바이트 읽기 icode / ifun / 레지스터 지정자 / valC 등을 읽기 valP는 다음 명령어 주소 = PC의 값에 읽은 명령어의 길이를 더한 값 Decode 레지스터파일에서 최대 두개의 연산자를 읽어서 valA / valB 제공 Execute 명령어에 의해 지정된 연산을 수행하거나, 메모리 참조의 주소를 계산하거나, 스택포인터를 증가/감소하는 등. 이 값을 valE라고 한다. 조건 플래그가 설정 / 평가하는것도 여기 Memory 메모리에 데이터를 쓰거나 메모리에서 데이터를 읽어오기 그 값을 valM이라고 한다. Write back 최대 두개의 결과를 레지스터 파일에 쓰기 PC update PC를 다음 명령어 주소로 업데이트. 프로세서는 위 과정을 무한히 반복한다. 예외가 발생할때 정지한다 halt / 유효하지 않은 명령어 / 유효하지 않은 주소 등 보다 완전한 설계에서는 예외처리 모드에 진입해서 특수 코드를 실행 과정이 되게 많게 느껴지지만, 저렇게 전체 흐름을 유사하게 해야 하드웨어의 양을 최소화하고 복잡성을 줄일 수 있다. 서로 다른 명령어가 가능한 많은 하드웨어를 공유하도록 한다거나.. 하드웨어에서 논리블럭을 중복하는 비용은 소프트웨어에서 코드블럭을 중복하는거보다 훨씬 비싸니까! 4.3.2 SEQ Hardware Structure # 모든 Y86-64 명령어들은 위의 6단계의 연속으로 조직화할 것이다. 하드웨어적으로 위의 6단계는 어떻게 구성되는가? Fetch PC 레지스터를 이용해서 명령어 바이트 읽기, valP 계산 Decode 레지스터 파일의 두개의 읽기포트를 통해 valA, valB를 동시에 읽는다. Execute 명령어 유형에 따라 arithmetic / Logic ALU 유닛을 다양하게 사용한다. 그중에 입력중 하나에 0을 더하여 출력으로 전달하는 더미 adder도 있다! CC (Condition Code Register) 세개의 조건 코드 비트를 보유함 새로운 값은 ALU에 의해 계산되고, 조건부 이동 명령어를 실행할 때 목적지 레지스터를 업데이트할지를 계산함. 점프같은것도 마찬가지. Memory 메모리의 워드를 읽거나 씀. 명령어 메모리와 데이터 메모리는 그림에서는 다르게 그리지만, 결국 하나의 메모리에 엑세스하는것임 Write back 레지스터파일의 두개의 쓰기 포트로 데이터를 작성 포트 E는 ALU의 계산 결과를 쓰기 위해, 포트 M은 데이터 메모리에서 읽은 값을 쓰기 위해 사용 그림으로 나타낼때 관례 클럭 레지스터는 흰색 직사각형 (SEQ에서는 PC가 유일한 크럭 레지스터이다) 하드웨어 유닛은 연한 파란색 사각형 제어 로직 블럭은 회색 둥근 사각형 와이어 이름은 흰색 원 (라벨) 워드는 중간두께 선, 바이트는 얇은선, 단일비트는 점선 4.3.3 SEQ Timing # SEQ는 조합기와 두가지 형태의 메모리 장치(클록 레지스터, 랜덤 액세스 메모리)로 구성된다. 조합기는 시퀀싱이나 제어 없이, 입력이 변경될때마다 논리게이트 네트워크를 통해 전파된다. 랜덤 엑세스 메모리에서 데이터를 읽어오는 과정은 주소 입력에 기반하여 계산된다고 봐도 된다. 레지스터 파일에서는 합리적이고, 더 큰 회로에서도 특수한 클록 회로를 이용해서 이를 모방할 수 있다. 써있는 말이 좀 복잡한데, 그냥 회로 관점에서 어차피 쓰기도 클록 엣지에서만 일어나고, 읽기는 주소를 넣으면 데이터가 나오는 과정이니까 조합 논리 블록이랑 다를게 없다는 말인 것 같다. 명령어 메모리는 명령어 읽기 전용으로만 사용되므로, 이 유닛 자체를 조합기로 생각할 수 있다. 이렇게 생각하면, 시퀀싱에 대해 명시적으로 제어가 필요한건 PC, 조건코드 레지스터, 데이터 메모리, 레지스터 파일 4가지가 남는다. 이들은 클록신호 하나를 통해 제어되고, 레지스터에 값을 로드하고 랜덤액세스 메모리에 값을 쓰는 타이밍을 트리거한다. PC는 매 클록 사이클마다 새로운 명령어 주소를 로드하고, 조건코드 레지스터는 OPq에서만 로드되고, 데이터메모리는 rmmovq, pushq, call에서만 쓰이고… 레지스터 파일의 쓰기 포트는 매 사이클마다 두개의 프로그램 레지스터를 업데이트할 수 있지만, 특수 레지스터 ID인 0xF를 포트주소로 사용해서 쓰기가 없도록 할 수 있다. 이러한 클록ing는 시퀀싱을 제어하는데 꼭 필요한 것들이다. 원칙: No reading back 프로세스는 명령어 처리를 완료하기 위해 해당 명령어에 의해 업데이트 된 상태를 읽을 필요가 없다.

📝 상세 정리 # 4.2.0 하드웨어 상에서 전자 회로는 비트들 상의 함수를 계산하고 / 상이한 종류의 메모리 요소들에 비트들을 저장하기 위해 사용된다. 논리값 1은 1볼트 내외의 고전압, 0은 0볼트 내외의 저전압으로 표현한다. 디지털 시스템을 구현하기 위해서는 다음과 같은 세가지 주요 구성 요소가 필요하다. 비트에 대한 함수를 계산하기 위한 조합 로직 비트를 저장하기 위한 메모리 요소 메모리 요소의 업데이트를 위한 클록 신호 4.2.1 Logic Gates 논리 게이트는 디지털 회로의 기본 컴퓨팅 요소이다. bool값에 대한 and, or, not 연산 && & / || | 차이 && || 는 논리연산자 -> 결과는 0 or 1 & |는 비트연산자 -> 결과는 각 비트에 대해 수행한 값 논리게이트는 항상 활성화 되어있다. 입력값이 변경되면 잠시후에 그에따라 출력이 수정될 것 4.2.2 Combinational circuits and HCL Boolean Ecpressions 다수의 논리 게이트를 네트워크로 조립하면서 우리는 조합 회로로 알려진 계산 블록을 구성할 수 있다. 이때 몇가지 제한이 있는데 모든 논리 게이트의 입력은 다음 세가지중 정확히 하나에 연결되어야 한다. 시스템 입력(1차 입력) 일부 메모리요소의 출력 일부 논리게이트의 출력 둘 이상의 논리 게이트의 출력은 함께 연결될 수 없다. (?wire 를 상이한 전압을 향해 구동시켜서 회로 오동작을 야기할 수 있다.) 아하, 이게 무슨소린가 했는데 두 출력부를 연결하면 하나가 1, 하나가 0이었다면 연결될때 좀 곤란해진다! 전원과 접지가 만나는것도 이슈고. 네트워크는 비순환적이어야 한다. 루프는 네트워크에 의해 계산된 함수에 모호성을 야기할 수 있다. 4.2.3 Word-Level Combinational Circuits and HCL Integer Expressions 큰 논리 게이트 네트워크를 조립함으로써 우리는 훨씬 더 복잡한 함수를 계산할 수 있다. word 단위로 연산해야지! 정수, 주소, instuction 코드, 레지스터 식별자 등 4~64비트 범위의 수많은 word가 있을 것 앞으로 그림으로 나타낼때 점선은 비트단위, 중간크기 실선은 word단위 4.2.4 Set MemberShip HCL에서 or연산이 붙어있는 코드는 in 명령어를 사용할 수 있다. 4.2.5 Memory and Clocking 조합회로는 본질적으로 어떤 정보도 저장하지 않는다. 하지만 순차회로가 필요해지면, 우리는 비트로 표현되는 정보를 저장하는 장치를 도입해야 한다. 이는 새로운 값이 장치에 로드될 때를 결정하는 주기적인 신호인 단일 클럭에 의해 제어된다. 클록 레지스터는 개별 비트 / 워드를 저장함 랜덤 액세스 메모리는 주소를 사용해서 읽거나 쓸 단어를 선택하면서 여러 워드를 저장함 대표적으로 가상 메모리 시스템, 레지스터 파일 등 아무튼 이 두가지 레지스터를 각각 하드웨어 레지스터 / 프로그램 레지스터라고 하자. 레지스터 파일은 내부 저장장치를 갖기에 조합회로가 아니다. 아하, 이게 종합적으로 무슨말인지 천천히 읽으면서 이해해보자. 결국 값을 저장할 일은 분명히 생긴다. 전에 계산한 결과를 활용하던가 해야할 수 있으니까. 잘 알듯이 그걸 저장하는 부분은 CPU의 레지스터다. CPU에 달려있는 그 친구를 하드웨어 레지스터라고 부르자. 그러면 저장을 어떻게 구현하는가? CPU에서는 안에서 D-플립플랍이라는걸 이용해서, 안에 전류를 가두는 방식을 사용한다. 가두는 타이밍은 클록 신호 (0-1 진동신호)가 켜지는 그 타이밍이다. X86-64에는 총 16개의 레지스터가 있으니까, 하드웨어 레지스터는 총 16개가 필요하다. 그리고 이것들에 대한 묶음을 레지스터 파일이라고 한다. 왜 묶어서 보관하는가? 그건 16개에 대해 모든 ALU에 다는게 에바기 때문이다. 위에 MUX, 선택기마냥 이 레지스터에서도 비트마스킹 결과처럼 연산해서 값을 얻어내는게 회로로 구현하기 훨씬 더 쉽다. 따라서 그 보드 위의 레지스터를 하드웨어 레지스터, 그리고 우리가 쓰는 %rax같은걸 프로그램 레지스터라고 한다. ❔질문 사항 # 루프는 네트워크에 의해 계산된 함수에 모호성을 야기할 수 있다. 왜? AND / OR 같은 회로들로 루프를 만들면 전압이 진동하는게 아니라 중간에서 멈춰버린다!

📝 상세 정리 # 지금까지 컴퓨터 시스템을 기계어 수준으로만 보았다. 프로세서는 두 수를 더하는 것 같은 원시적인 연산을 수행해야 한다는것을 안다. 명령어는 1바이트 이상의 시퀀스로 이진 형태로 인코딩 되는것도 안다. 특정 프로세스에 의해 지원되는 명령어들 및 그 인코딩들을 ISA (Instruction set Architecture)라고 한다. 인텔 IA32, x86-64, ARM프로세서 패밀리 등 다른 패밀리들은 다른 ISA를 가진다. 한 종류의 기계에 대해 컴파일 된 프로그램은 다른데서 실행되지 않는다. 단일 패밀리 내에는 다양한 프로세서 모델이 있다. 이 또한 컴파일러 작성자와 프로세서 설계자 간의 개념적 추상화 레이어라고 볼 수 있다! 이 장에서 배울 것 프로세서 하드웨어의 설계 (간략히) 간단한 명령어 셋 정의하기 (Y86-64) 디지털 하드웨어 디자인에 대한 몇가지 배경 기본 빌딩 블록들 자체, 그리고 그들이 어떻게 연결되어있는지 하드웨어 시스템의 제어 부분을 설명하기 위한 언어인 HCL (Hardware Control language) 순차적 동작에 기초한 Y86-64 프로세서 파이프라인을 적용한 프로세서 (5단계 분류) ❔질문 사항 # 🔗 참고 자료 #

📝 상세 정리 # ISA를 정의하는 것은 컴포넌트들, 명령어들, 인코딩, 프로그래밍 컨벤션 세트 등을 정의하는 것을 포함한다. 4.1.1 Programmer-Visible State Y86-64 프로그램의 각 명령어는 프로세서 상태의 일부를 판독하고 수정할 수 있다. 이를 프로그래머 가시화 (programmer-visible) 상태라고 한다. programmer은 어셈블리 코드에서 프로그램을 작성하는 사람 혹은 컴파일러를 의미함 Y86-64의 레지스터는 x86-64와 비슷하게 %rax %rbx… %r14까지 있다. 각 레지스터는 64비트 word를 저장하고, %rsp는 스택 포인터로 사용되고… 정보 조건 코드는 ZF, SF, OF 3가지가 존재한다. PC (Program Counter)은 현재 실행중인 명령어의 주소를 보유한다. 메모리는 프로그램과 데이터를 모두 유지한다. 가상 주소를 사용하여 참조 메모리 위치를 프로그램할 것 4.1.2 Y86-64 Instructions 우리가 만들 Y86-64 ISA는 x86-64의 서브셋이다. 8바이트 정수 연산만을 포함 더 적은 어드레싱 모드 더 작은 연산 세트 8바이트만 하니까, 그냥 word라고 불러도 된다! movq는 ir, rr, mr, rm movq 4가지가 있다. i는 immediate값, r은 레지스터, m은 메모리 정수연산은 addq, subq, andq, xorq 4가지로, 레지스터 데이터에만 동작하도록 할 것이다. 물론 ZF, SF, OF도 설정해야한다. 점프 명령어는 jmp, jle, jl, je, jne, jge, jg 7가지가 있다. 조건부 이동에는 cmovle, cmovl, cmove, cmovne, cmovge, cmovg 6가지가 있다. call은 스택에 return address를 push하고 jump한다. pushq, popq도 물론 있다. hlt이 나오면 상태코드가 HLT로 설정된 상태에서 프로세서가 정지된다. 4.1.3. Insturction Encoding 각 instuction에는 어떤 필드가 필요한지에 따라 1~10바이트가 필요하다. 모든 insturction은 유형을 식별하는 초기 바이트가 있는데, 여기서 위의 4비트는 코드부분, 아래 4비트는 함수 부분이다. 코드부분은 0 ~ 0xB 까지의 범위를 가진다. 함수부분은 관련 instuction이 같은 코드부분을 공유할 때만 유의하다. (OPq 등) jmp는 0x70이어야하는것처럼. 뒤의 1바이트는 레지스터 식별자이다. x86-64와 일치하게 하겠다. 뒤의 8바이트는 상수 word 영역이다. 일부 명령어는 길이가 1바이트뿐이 안되지만 피연산자가 필요하거나 상수파트가 필요하거나 하면 커진다. x86-64와 마찬가지로 다 Little Endian이다!! 예를 들어 rmmovq %rsp, 0x123456789abcd(%rdx)는 rmmovq -> 40, %rsp %rdx -> 42, 상수는 리틀엔디안 처리되어 40 42 cd ab 89 67 45 23 01 00 으로 인코딩될 것이다. 4.1.4 Y86-64 Exceptions 실행 프로그램의 전체 상태를 나타내는 상태 코드도 있다. 모두 정상인 AOK halt를 만난 HLT 잘못된 주소를 만난 ADR 잘못된 instruction을 만난 INS 4.1.5 Y86-64 Programs Y86-64는 x86-64와 달리 immediate 값을 이용한 연산이 안되기때문에, 레지스터에 로드하고 사용한다. “.“로 시작하는 word는 어셈블러에게 코드를 생성하는 주소를 조정하거나 데이터의 일부 단어를 삽입하도록 지시하는 어셈블러 지시이다. “.pos 0"은 어셈블러가 주소 0에서 시작하는 코드를 생성하기 시작해야 함을 나타낸다. 38 # Stack starts here and grows to lower addresses 39 .pos 0x200 40 stack: 이와같이 스택주소를 지정해서 더 낮은주소로 확장되도록 설정할 수도 있다. 7 # Array of 4 elements 8 .align 8 9 array : 10 .quad 0x000d000d000d 11 .quad 0x00c000c000c0 12 .quad 0x0b000b000b00 13 .quad 0xa000a000a000 배열의 시작을 나타내며, 8바이트 정렬이 이루어져 있다. 이와 같이 Y86-64를 생성하기 위한 우리의 도구는 어셈블러이기에 우리는 컴파일러, 링커, 런타임 시스템 위임 등의 작업을 수행해야 한다. 4.1.6 Some Y86-64 Instruction details pushq 명령어는 스택포인터를 모두 8만큼 감소시키고 레지스터 값을 메모리에 저장한다. 그렇다면 pushq %rsp는? 1 .text 2 .globl pushtest 3 pushtest: 4 movq %rsp, %rax Copy stack pointer 5 pushq %rsp Push stack pointer 6 Popd %rdx Pop it back 7 subq %rdx, %rax Return 0 or 4 8 ret x86-64에서, 위 코드는 언제나 0만을 반환한다. 이는 4만큼 땡기기 전의 기존 %rsp값을 push하는것을 의미한다. 1 .text 2 .globl poptest 3 poptest: 4 movq %rsp, %rdi Save stack pointer 5 pushq $0xabcd Push test value 6 popq %rsp Pop to stack pointer 7 movq %rsp, %rax Set popped value as return value 8 movq %rdi, %rsp Restore stack pointer 9 ret 해당 코드도 언제나 0xabcd만을 반환한다. 이는 또한 %rsp에 값을 넣고 %rsp를 움직임을 의미한다. ❔질문 # 인코딩된 바이트에 따라 해석해서 간단한 연산만으로 복잡한 프로그램이 돌아간다는건 알겠는데, 그래서 프로세서가 실제로 바이너리 코드들을 어떻게 연산하는거지? 프로세서는 바이너리 코드를 해석하는게 아니라 실제로 바이너리 코드가 흐르는 길 자체를 물리적으로 열고 닫는다. 예를 들어 addq %rax, %rdx과 같은 인코딩이 들어오면, 제어 유닛에서 더하기를 담당하는 ALU를 키고, %rax과 %rdx의 통로를 열어서 결국 결과값에 해당하는 전압 패턴을 얻는다.

📝 상세 정리 # Part I: Code Injection Attacks # 새로운 코드를 인젝션하지는 않고, string을 직접 박아넣어서 존재하는 프로시져로 꽂을것이다. void test() { int val; val = getbuf(); printf("No exploit. Getbuf returned 0x%x\n", val); } 위와 같은 코드에 직접 넣을 예정 Level 1 # void touch1() 함수로 가게 만들자. 00000000004017a8 <getbuf>: 4017a8: 48 83 ec 28 sub $0x28,%rsp 4017ac: 48 89 e7 mov %rsp,%rdi 4017af: e8 8c 02 00 00 call 401a40 <Gets> 4017b4: b8 01 00 00 00 mov $0x1,%eax 4017b9: 48 83 c4 28 add $0x28,%rsp 4017bd: c3 ret 4017be: 90 nop 4017bf: 90 nop getbuf 함수를 보니, 0x28 = 40바이트를 스택메모리에 할당하고, get함수를 부른다.

📝 상세 정리 # 그동안 C언어의 추상화 층을 살펴봤다! 5장에서 컴파일러의 특성을 알면, 효율적인 코드에 대해 더 잘 이해하게 될 것이다. 프로그램이 다른 메모리 영역에 데이터를 저장하는 방법을 알게 되었다. 12장에서 런타임 스택에 프로그램 변수가 있는지, 동적 할당된 데이터 구조에 있는지, 글로벌 프로그램 데이터 일부에있는지 더 공부할 것이다. 프로그램은 명령어들의 시퀀스로 표현되며, 명령어 각각은 단일 동작을 수행한다. 컴파일러는 상이한 데이터 구조를 생성/동작/제어 등 여러가지를 위해 다수의 명령어를 사용한다. C에서는 경계 검사가 부족하기 때문에 버퍼 오버플로우를 조심해야 한다. C++은 C와 유사하게 컴파일되지만, 자바는 완전히 다른 방식으로 작동한다. 자바 바이트코드라고 불리는 특별한 바이너리 코드가 된다. 이는 가상 머신을 위한 머신 레벨의 프로그램이지만, 하드웨어에서 직접 구현되지 않는다. 인터프리터가 이를 시뮬레이션하여 바이트 코드를 처리한다. 이는 같은 코드가 여러 기계에서 실행될 수 있지만, 우리가 고려한 C같은 경우는 x86-64 기계에서만 실행된다는 단점이 있다. ❔질문 사항 # 🔗 참고 자료 #

📝 상세 정리 # Floating-Point Code 부동소수점 아키텍쳐는 어케 동작할라나 부동소수점 값이 저장되고 엑세스되는 방법 부동소숫점 데이터에서 작동하는 명령어 부동소수점 값을 함수에 전달하고 반환하는데 사용되는 컨벤션/관례 함수 호출 중 레지스터가 보존되는 방법에 대한 규약 SSE는 128비트, AVX는 256비트, AVX-512는 512비트.. %xmm0, %xmm1등의 어셈블리 코드가 나오면 현대적인 레지스터다! %rax, %rbx, %rsp, … %r15랑은 아예 별개. 위치도 다른듯? 연산 방식 자체가 보수방식 / 지수가수 방식으로 다르니까 다른 장치에서 SIMD도 가능하다! 3.11.1 Floating-Point Movement and Conversion Operations vmovss / vmovsd / vmovaps / vmovapd 같은 명령어들이 있다 코드 최적화 지침은 32비트 데이터는 4바이트 정렬을, 64비트 데이터는 8바이트 정렬을 만족하도록 권장하지만 안그래도 동작은 한다 정수 mov과 같은 방식으로 웬만하면 동작한다! GCC는 스칼라 이동 연산을 xmm 레지스터 - 메모리 사이에서만 수행한다. xmm 레지스터 사이에서 전송하기 위해선 vmovaps나 vmoapd 안에있는 a는 aligned, 정렬을 의미한다 float float_mov(float v1, float *src, float *dst){ float v2 = *src; *dst = v1; return v2; } 위 코드는 다음과 같이 번역된다. v1 in %xmm0, src in %rdi, dst in %rsi 1 float_mov: 2 vmovaps %xmm0, %xmm1 Copy v1 3 vmovss (%rdi), %xmm0 Read v2 from src 4 vmovss %xmm1, (%rsi) Write v1 to dst 5 ret Return v2 in %xmm0 ``` vmovaps, vmovss를 둘다 확인할 수 있다! float -> 정수에서는 잘 반올림해서 들어감 정수 -> float에서는 신기하게도 뒤에 피연산자가 3개 들어간다 이때 두번째 피연산자는 상위 바이트에만 영향을 미쳐서 무시해도 된다 일단 두번째 연산자는 결과가 들어갈 레지스터의기 기존 값을 의미한다. 웬만한 연산에서 두번째 피연산자와 세번째 목적지 피연산자는 같다 float -> float에서 조금 이상한 코드가 생성된다 상위비트를 다시 활용하지 못하게 하기 위함 가짜 의존성 이전의 상위 비트값을 써야될때 값을 기다리게 하지 않기 위해, 그냥 덮어버린다 single -> double, double -> single 둘다 마찬가지 3.11.2 Floating-Point Code in Procedures 크아악 프로시져다 언제나 그랬듯 XMM 레지스터를 이용해서 float 인수들을 함수로 전달하고 반환받고 한다 x86-64에서는 다음과 같은 관습이 관찰된다 최대 8개의 float arg가 xmm0~7로 전달되고, 더 필요하면 스택 사용 float 반환은 xm0에서 모든 XMM 레지스터는 caller-saved. 이후에 호출된놈이 맘대로 바꿔도 됨 double f1(int x, double y, long z); 위의 예에서, %edi에 x, %xmm0에 y, %rsi에 z 3.11.3 Floating-Point Arithmetic Operations double funct(double a, float x, double b, int i){ return a*x - b/i; } 위 코드는 다음과같이 번역된다. a in %xmm0, x in %xmm1, b in %xmm2, i in %edi 1 funct: The following two instructions convert x to double 2 vunpcklps %xmm1, %xmm1, %xmm1 3 vcvtps2pd %xmm1, %xmm1 4 vmulsd %xmm0, %xmm1, %xmm0 Multiply a by x 5 vcvtsi2sd %edi, %xmm1, %xmm1 Convert i to double 6 vdivsd %xmm1, %xmm2, %xmm2 Compute b/i 7 vsubsd %xmm2, %xmm0, %xmm0 Subtract from a*x 8 ret Return ``` 3.11.4 Defining and Using Floating-Point Constants 정수 연산과 달리 AVX float 연산은 immediate value로 연산할 수 없다. 대신 컴파일러는 임의값에 대해 스토리지를 할당하고 초기화하고, 메모리로부터 값을 읽는다. double cel2fahr(double temp){ return 1.8 * temp + 32.0; } 과 같은 함수가 있다면, 이는 다음과 같이 바뀐다. double cel2fahr(double temp) temp in %xmm0 1 cel2fahr: 2 vmulsd .LC2(%rip), %xmm0, %xmm0 Multiply by 1.8 3 vaddsd .LC3(%rip), %xmm0, %xmm0 Add 32.0 4 ret 5 .LC2: 6 .long 3435973837 Low-order 4 bytes of 1.8 7 .long 1073532108 High-order 4 bytes of 1.8 8 .LC3: 9 .long 0 Low-order 4 bytes of 32.0 10 .long 1077936128 High-order 4 bytes of 32.0 ``` .LC2의 위치로부터 1.8을 가져오고, .LC3에서 32.0을 판독해오는 것으로 보인다. 3.11.5 Using Bitwise Operations in Floating-Point Code 비트연산을 float에서도 사용할 수 있다! vxorps, vxorpd, vandps, vandpd 근데 float에서 비트연산은 진짜 왜하지? 레지스터를 0으로 초기화하고 싶을 때 자기 자신을 xor하기 부호 반전 / 절댓값화 맨앞 MSB 만지기 (x<0 ? 0:x)과 같은 경우 (RELU) 3.11.6 Floating Point Comparison Operations 아무래도 수를 비교는 해야겠지 ucomiss / ucomisd S1와 S2 비교 늘 그랬듯 ZF, CF, PF를 설정한다 하나라도 NaN이면, 세 플래그를 다 킨다! 3.11.7 Observations about Floating-Point Code AVX2가 float에 대해 정수랑 비슷하지만, 훨씬더 다양한 명령어와 형식을 포함하는걸 알 수 있었다. 또한 패킹된 데이터에 병렬연산을 수행해서 더 빠르게 실행시킬수도 있다. 요새 gcc가 해주더라 ❔질문 사항 # 🔗 참고 자료 #

📝 상세 정리 # 데이터와 머신레벨 코드를 지금까지 따로 살펴보았다 이제부터는 합쳐서 확인해보자 이건 포인터 단위로 공부할 것이다. 버퍼 오버플로우도 연구해보자 스택 저장량이 실행마다 다를 수 있는 경우? 를 확인해보자 3.10.1 Understanding Pointers 모든 포인터는 associated type이 있다. 어떤 object를 가리키는지 나타내는 것 객체가 타입 T를 갖는 경우, T의 포인터는 타입 *T를 갖는다. 타입 *T의 포인터는 **T이다. 그냥 * 라고 쓰면 일반 포인터를 반환한다. 이 포인터 유형은 기계코드의 일부는 아니지만, 오류를 방지하기 위해 C가 제공하는 추상화임 모든 포인터의 값은 일부 객체의 주소를 가리킨다 NULL(0)일때 빼고 (아무데도 가리키지 않음) 포인터는 &연산으로 생성된다 기계코드에서는 주로 leaq로 나타내지더라 포인터는 *연산으로 역참조된다. 지정된 주소로 저장하거나 지정된 주소로부터 검색한다. 배열과 포인터는 밀접한 관련이 있다. 배열의 이름은 마치 포인터 변수인 것처럼 참조된다. 포인터를 캐스팅할 때, 그 유형은 바뀌지만 그값은 바뀌지 않는다. 하지만 스케일링을 바꿀 순 있다 EX) p가 char * 유형의 포인터인 경우 (int *) p+7은 p+28을 계산하고, (int *) (p+7)은 p+7을 계산한다. 포인터는 함수를 가리킬 수도 있다. int fun(int x, int *p); int (*fp)(int, int *); fp = fun; int y = 1; int result = fp(3, &y); 함수 포인터의 값은 함수의 기계코드 표현에서 첫번째 명령어의 주소이다. 3.10.2 Life in the Real World: Using the GDB Debugger gdb는 GNU 디버거 ㅋㅋ bomb lab 풀면서 이미 써봤지롱 3.10.3 Out-of-Bounds Memory References and Buffer Overflow C는 배열 참조에 대한 임의의 경계 검사를 수행하지 않는다 저장된 레지스터값 반환 주소와 같은 상태 정보 로컬 변수 이 모든것들이 스택에 저장된다 근데 이건 심각한 프로그램 오류를 초래할 수도 있다!! Out of bound 배열 요소에 작성하는것으로! 그리고 이상태로 레지스터를 다시 가져오거나 ret 명령어를 하려고 하면 터질 수 있다. 이런걸 Buffer Overflow라고 한다. 문자열을 유지하기 위해 스택 상에 일부 문자 배열에이 할당되지만, 그 크기가 넘어간 경우 char *gets(char *s){ int c; char *dest = s; while((c = getchar()) != '\n' && c != EOF) *dest++ = c; if(c == EOF && dest == s) return NULL; *dest++ = '\0'; return s; } void echo(){ char buf[8]; gets(buf); puts(buf); } 이런 코드가 있다고 하자! 그런데 이 코드는 입력이 크기인 8을 넘는지 안넘는지 알 수 있는 방법이 없다…. 어셈블리로도 봐볼까? void echo() 1 echo: 2 subq $24, %rsp Allocate 24 bytes on stack 3 movq %rsp, %rdi Compute buf as %rsp 4 call gets Call gets 5 movq %rsp, %rdi Compute buf as %rsp 6 call puts Call puts 7 addq $24, %rsp Deallocate stack space 8 ret Return ``` - 스택 포인터에서 24를 빼서 할당하고, 맨위에 저장하고.. - rsp를 rdi에 적어놔서 gets / puts 둘다에도 쓸 수 있게 하고 - buf가 그러면 8바이트를 쓰니까, 뒤에 16바이트는 안쓴다. - 사용자가 7개 문자 입력 (종료문자열까지 8개) 까지는 문제가 없겠지만… 이를 넘어가면? - 0-7: buf에 잘 들어감 - 9-23: 비어있는 스택공간 - 24-31: Return address - 32+: caller에 저장된 값들 버퍼 오버플로우는 버그가 터지는것도 문제지만.. 원하지 않는 행동을 마음대로 할 수 있다면? 이것이 컴퓨터 네트워크를 통해 시스템의 보안을 공격하는 가장 일반적인 방법 이를 Exploit code라고 한다. 뭐 암튼 보안을 잘해야한다는 이야기 3.10.4 Thwarting Buffer Overflow Attacks 버퍼 오버플로우가 문제가 되니까 현대 컴파일러와 운영체제는 이를 막는 메커니즘을 구현하기 시작했다 Stack Randomization 시스템 내에 익스플로잇 코드를 삽입하기 위해서 공격자는 코드에 대한 포인터뿐만 아니라 코드 모두를 주입해야함. 또한, 해당 문자열이 들어갈 스택/메모리 주소도 알아야된다!! 역사적으로, 이는 예측 가능성이 높았다. 공격자가 공통 웹서버에서 사용하는 스택 주소를 찾았다면? 많은 머신에서 작동하는 공격을 만들 수 있었다. 그러니까, 스택의 위치를 각 프로그램의 실행마다 다르게 하자. 많은 머신이 같은 코드를 실행하더라도, 모두 상이한 스택 주소를 사용할 것이다. alloca함수같은걸 이용해서 프로그램 시작시 스택상에 랜덤한 값을 할당한다 이 값은 충분한 변동을 얻을수 있을정도로 커야하지만, 낭비하지 않을만큼 작아야하는.. 당연한말 간단하게는 이렇게 확인 가능하다 int main(){ long local; printf("local at %p\n", &local); return 0; } 이렇게 하면 언제나 같은 값을 가지지 않음을 확인할 수 있다. 이는 현재 리눅스 시스템에서 표준 관행이다. 하지만 이는 어느정도의 공격을 막을 수는 있지만 공격자가 정말 힘내면 다른 주소를 가진 공격을 반복적으로 시도해서 브루트포스로 극복 가능하다. Stack Corruption Detection 스택이 손상되었을 때를 감지하면 되지 않을까? echo함수는 local buffer의 경계를 초과할 때 터졌었다 C에서는 배열의 경계를 넘어서 쓰기를 방지할 수 있는 좋은 방법이 없다. 대신 프로그램은 그러한 쓰기가 어떠한 해로운 영향을 미치기 전에 뭔가가 발생한적 있는지를 검사할 수 있다. 이는 버퍼 오버런을 검출하기 위해 생성된 코드에 스택 보호자로 알려진 메커니즘을 통합한다 (?) 임의의 로컬 버퍼와 나머지 스택들 사이에 특별한 canary 값을 지정하는 것 이는 guard값이라고도 하며, 프로그램이 실행될 때마다 무작위라서 공격자가 그것이 무엇인지 쉽게 결정할 수 없다. 레지스터를 복원하고 돌아가기 전에, 프로그램은 이 canary가 변경되었는지 안됐는지 확인한다. 아하, 예전에 bomb lab에서 봤던 %fs:40이 이거였구나!!! Limiting Executable Code Regions 공격자가 실행 가능한 코드를 시스템에 삽입하는 능력을 제거하는 것 그중 한가지 방법은 실행 가능한 코드를 메모리 영역에 저장하는것을 제한하는 것 예를 들어, 컴파일러에 의해 생성된 코드가 있는 부분만 실행 가능하게 하고, 나머지 부분은 읽기 및 쓰기만 허용하도록 제한할 수 있겠다. 가상 메모리공간은 페이지당 2048 / 4096바이트임. (9장에서 배울 것) 하드웨어는 프로그램 / 운영체제 등한테 액세스 형태를 지정하는 메모리 보호를 지원함 많은 시스템들은 읽기 / 쓰기 / 실행에 대한 제어를 허용한다. 역사적으로 x86은 읽기 및 실행을 1비트 플래그로 병합하여, 읽기가 가능하면 실행도 가능했다. 스택쪽도 읽어야하기때문에 스택의 바이트도 실행이 가능했다 하지만 이제 64비트 프로세서에서는 AMD도 인텔도 이를 분리하기 시작햇다. 이 세가지 기술들은 프로그래머의 노력도, 수행 오버헤드도 적다. 개별적으로 취약성 수준을 낮추고, 조합해서 더 좋기도 하다. 하지만 불행히도 컴퓨터를 공격하는 방법들은 여전히 존재하고, worm과 바이러스들은 계속 공격해나간다. 3.10.5 Supporting Variable-Size Stack Frames 지금까지는 컴파일러가 스택에 얼만큼을 할당해야하는지 미리 결정할 수 있었다. 하지만 일부 기능은 요구하는 스택 메모리의 양이 달라질 수 있다! 예를들어, alooca 등의 임의 크기의 바이트를 스택에 할당하는 거라던지, 가변 크기의 로컬 어레이를 선언하던지 따라서, 나중에 함수로 돌아갈때 스택 포인터의 위치가 어디였는지를 기억하기 위해, 이를 프레임 포인터마냥 %rbp에 저장해두자!! 그러면 %rsp가 얼마나 크더라도 함수 return시 어디로 돌아가야하는지는 확실하다. 이건 기계코드에 leave라고 있다. ❔질문 사항 # 왜 8바이트가 아닌 24바이트를 땡겼지? -> 16바이트 단위로 rsp를 맞추기 위해 Stack Randomization, Stack Canary 모두 컴파일 시간에 결정된거 아닌가? 랜덤값이? 같은 컴파일된 바이너리파일을 실행하면 결국 일어나는일은 언제나 같은건가? -> ㄴ.ㄴ fs:40같은데 들어이있는 값은 맨날 다르다 그래도 RNG같은 코드가 박혀있는거 아닌가? -> 맞긴 한데, 간단한 rand()급이 아니고 마우스 움직임 / 하드웨어 인터럽트등 다양한 불규칙적 신호들을 모아서 무작위화한다. 스택에서 printf같은걸로도 못읽게 첫번째 바이트를 0x00(NULL)로 설정해서 문자열 함수 등도 방어한다! 🔗 참고 자료 # CSAPP

📝 상세 정리 # C는 서로 다른 유형의 객체를 결합해서 데이터 유형을 생성하기 위한 두가지 어쩌구.. struct, union 3.9.1 Structures 다른 유형의 객체를 단일 객체로 그룹화하는 데이터 유형 structure 내의 다른 컴포넌트는 이름으로 참조됨 모든 구성요소가 메모리의 연속 영역에 저장되고, structure에 대한 포인터가 첫번째 바이트의 주소 Array랑 비슷하다! 컴파일러는 각 필드의 바이트 오프셋을 들고있고.. 그걸로 잘 왔다갔다 참조 3.9.2 Unions 단일 객체를 여러 유형에 따라 참조할 수 있도록 함 이게 무슨소리지? struct에서 char, int[2], double이 있다면 char: 01, int: 412, double: 16~24바이트로 총 24바이트 메모리 사용 사이공간은 패딩 Union이었다면 가장 큰것에 맞춰서 그저 8바이트 사용 그때그때 char / int / double로 읽는 것 근데 그럼 이걸 왜쓰냐? 한번에 char / int / double 중 여러 값을 동시에 가지지 않을떄! 책에 나온 예제는 리프노드에만 값이 있는 이진 트리 구조체 왼쪽노드 포인터, 오른쪽노드 포인터, double 2개를 가진다고 해보자 struct는 32바이트, Union이라면 잘 묶어서 16바이트로 처리 가능 다음 예시를 보자. double uu2double(unsigned word0, unsigned word1) { union { double d; unsigned u[2]; } temp; temp.u[0] = word0; temp.u[1] = word1; return temp.d; } 이때 word0 = 0x12345678, word1 = 0x9abcdef0 이라고 하면 temp에는 Little Endian일때 78 56 34 12 f0 de bc 9a Big Endian일땐 12 34 56 78 9a bc de f0 가 저장된다. 이를 d로 읽을 때 Little Endian에서는 0x9abcdef012345678 Big Endian에서는 0x123456789abcdef0 으로 해석하게 된다. (d를 읽을때도 endian 신경썽하니까!!) 3.9.3 Data Alignment 일부 객체들에 대한 주소는 2, 4, 8등의 배수여야함을 요구하는 애들이 있다 이래야 하드웨어 설계가 단순화된다 8의 배수로 정렬되어있으면 메모리 한번만 참조하면 되지만, 아니라면 앞뒤로 분할되어 있는곳에 두번 참조해야할 수도 있음 x86-64는 데이터의 정렬에 관계없이 올바르게 작동하지만, 인텔은 메모리 시스템 성능 향상을 위해 정렬할것을 권고하고 있음 정렬 권장사항은 다음과 같다 K = 1 : char K = 2 : short K = 4 : int, float K = 8 : long, double, char * 아하, 이게 bool 정적 배열보다 bitset이 빠른 이유구나!! 알아서 SIMD를 지원하면서 채워주는거구나!! 그리고 이걸 패딩이라고 하겠구나! .align 8 어셈블리에서 다음과 같은 코드가 있으면, 그 뒤따르는 데이터가 8의 배수읜 주소로 시작될 것을 보장한다. struct S1 { int i; char c; int j; } 가 있다고 가정하면, 4 / 1 / 4 바이트를 쓰는게 아니라 4 / 1 + 3(패딩) / 4 바이트를 쓴다. 결과적으로 j는 오프셋 8을 가지며 전체 구조 크기는 12바이트이다. 또한, 컴파일러는 S1 유형의 포인터 p가 4바이트 정렬을 만족하는지 확인해야한다. ❔질문 사항 # 일부 객체들에 대한 주소는 2, 4, 8등의 배수여야함을 요구하는 애들이 있고, 이래야 하드웨어 설계가 단순화된다 하드웨어 설계가 단순화된다는건 뭘까? 또한, 컴파일러는 S1 유형의 포인터 p가 4바이트 정렬을 만족하는지 확인해야한다. 안에 있는 원소들 중 K의 최댓값을 기준으로 하나? 🔗 참고 자료 # CSAPP