라즈베리파이 하드웨어 구조: 캐시 계층과 ARM vs x86 비교

6장 Raspberry Pi 개요

Raspberry Pi는 Broadcom SoC 기반의 저가/저전력 싱글보드 컴퓨터로, 임베디드 시스템 교육 및 프로토타이핑에 널리 쓰인다. ARM 아키텍처, Linux OS, shell command, file system, process 관리까지 실습 중심으로 다룬다.

Raspberry Pi Technical Specs

• APU: Broadcom BCM2711 기반 SoC
• Cache coherency 유지 (controller 사용)
• Multi-core (4 core) — ARM Cortex-A72 계열
• GPU, GPIO, UART, SPI, I2C 등 peripheral 내장

L1 Cache

• 2-way set-associative instruction cache (→ Temporal locality?)
• 4-way set-associative data cache (→ Temporal locality?)
• Line size 보통 64B

Per Partition Size

ARM big.LITTLE 구조에서는 partition 별로 pipeline/cache 설정이 다름. 각 코어는 pipeline 깊이에 따라 속도/전력이 다르게 설계.

L2 Cache

• 512KB, 1MB, 2MB, 4MB 계열 중 선택
• N-way set-associative data & instruction cache
• Software programmable (shared cache, replacement policy 조정 가능)

ARM vs x86

• Broadcom BCM2711 SoC — ARM Architecture (ARM v7/v8)
• CISC Architecture (Complex Instruction Set Computer): high performance
• 한 instruction에 많은 일을 수행 가능 (multi-cycle)
• Intel, AMD, x86 계열
• RISC Architecture (Reduced Instruction Set Computer): low power
• 단순한 instruction, pipeline 효율 ↑
• ARM, ARM v7, ARM v8

→ Raspberry Pi는 ARM Cortex-A 계열 → RISC 기반.

Windows vs Linux

• Windows: MS Windows, Apple macOS → closed source
• Linux (Raspbian, etc.): 리눅스 커널 기반, open source
• Rasbian, Ubuntu Mate, Arch Linux, Kali Linux 등 주요 distro

Linux Basic — Shell Command

Prompt

pi@raspberry:~ $

• pi: username
• raspberry: hostname
• ~: 현재 디렉토리 (home directory)
• $: user mode (root는 #)

주요 명령어

• pwd: (print working directory) 현재 dir 표시
• ls: list — 현재 dir의 파일/폴더 목록
• cd: change directory
• cd /etc — 절대경로
• cd ~ — home
• cd .. — parent directory
• cd - — 이전 디렉토리
• mkdir: make directory — 빈 folder 생성
• rmdir: remove directory — 빈 folder 삭제
• rm: 파일/디렉토리 삭제
• rm -r (recursive)
• rm -f (force, no prompt)
• cp: copy
• mv: move/rename
• clear: clear screen (Ctrl+L)

Linux Basic — File Commands

• head: 파일의 처음부터 10줄 화면에 출력. head -5 science.txt는 5줄 출력
• tail: 파일의 끝에서부터 10줄 화면에 출력
• cat (concatenate): 파일의 내용을 화면에 보여줌
• cat name.txt / cat name1.txt name2.txt (두 파일 연결 보기)
• cat name.txt name2.txt > name3.txt — name3에 추가 (파일 합칠 때 사용)
• less: 파일을 연 뒤 /을 이용해 단어 찾음 → 하이라이트 처리. n 다음으로 이동
• sort: 알파벳, 숫자 정렬

Pipe

전 명령의 output을 다음 명령의 input으로 쓸 때 사용 (간단하고 빠르게 수행).

• who: 리눅스에 로그인한 계정이 보임
• who > names.txt: names 파일로 로그인한 계정을 출력
• sort < names.txt: names 파일을 읽어서 알파벳순 정렬 (input을 file로 받겠다는 의미)

⇒ pipe를 사용하여 하나로 사용 가능

• who | sort: who의 stdout을 sort가 받아서 계정을 알파벳순으로 정렬
• who | wc -l: 계정의 line 수를 알려줌
• ls -la | less: 모든 파일을 less를 통해 볼 수 있음

Redirection

Linux 명령에 의한 많은 프로세서들의 결과를:

• Standard output으로 내보내는 것 (대부분의 system에서 terminal screen을 의미)
• Standard input으로 받는 것 (대부분 키보드)

→ Input과 output의 별도의 설정을 하지 않으면 standard input/output 사용.

예: cat에 Ctrl+D로 종료.

Wildcard

특정 명령어의 인자로 파일 이름을 넘길 때, 패턴 매칭을 활용:

• *: 0개 이상의 문자
• ?: 한 개 문자
• [abc]: a 또는 b 또는 c
• [!abc]: a, b, c가 아닌 것

File System Security

chmod / 권한

Unix의 파일 권한은 owner, group, other에 대한 rwx (read, write, execute).

-rwxr-xr-- 1 pi pi 1234 ...
 │└┬┘└┬┘└┬┘
 │ │  │  └ other의 권한 (r--)
 │ │  └── group의 권한 (r-x)
 │ └───── owner의 권한 (rwx)
 └─ 파일 type (- <mark class="highlight"><strong><u> regular file, d </u></strong></mark> directory)

chmod 숫자 방식

• 4: read (r)
• 2: write (w)
• 1: execute (x)
• 7 = rwx

예: chmod 755 file → owner=rwx, group=rx, other=rx.

Changing a File's Mode

• chmod (change mode)
• chown (change owner)
• chgrp (change group)

Processes and Jobs

Processes

• Foreground: 현재 실행 중이며 사용자 입력을 받는 process (prompt를 점유)
• Background: &로 실행, prompt 반환 후 백그라운드에서 계속 실행
• Suspended: 일시 정지됨 (Ctrl+Z)

Job 관련 명령

• &: 명령 뒤에 &를 붙여 backgroud로 실행
• ps: 현재 실행 중인 process 목록
• jobs: 현재 background/suspended job 목록
• fg %n: job n번을 foreground로
• bg %n: job n번을 background로
• kill %n / kill PID: job/process 종료

Signals

• Ctrl+C: SIGINT (interrupt) — foreground process 종료
• Ctrl+Z: SIGTSTP (suspend)

Killing a Process

• kill PID: SIGTERM (정상 종료 요청)
• kill -9 PID: SIGKILL (강제 종료)

File System 종류

• ext2: 기본 Linux filesystem
• ext3/ext4: journaling 지원, 현대 표준
• NTFS: Windows native
• FAT32/exFAT: 호환성, USB
• btrfs, xfs: 고급 기능

File Types

• Regular file
• Directory
• Symbolic link
• Block/character device
• Socket / pipe

sudo 권한

• sudo: 일시적으로 superuser 권한 획득
• su: switch user
• /etc/sudoers 파일로 sudo 권한 관리

Account

• /etc/passwd: 사용자 정보
• /etc/shadow: 암호 hash
• /etc/group: group 정보

File System Layout

Logical Layout

• /: root
• /home/<username>: 사용자 홈 디렉토리
• /etc: 설정 파일
• /var: 로그, 가변 데이터
• /usr: 응용 프로그램, 라이브러리
• /bin, /sbin: 필수 실행 파일
• /dev: 디바이스 파일
• /proc, /sys: 가상 파일시스템 (커널 정보)
• /mnt, /media: 마운트 지점

Physical Layout

• Boot partition: FAT, kernel 이미지, boot loader → Raspberry Pi에서는 필수
• Root partition: ext4 (대부분의 시스템 파일)
• Swap partition: Swap 영역 (보조 메모리)

Installing/Uninstalling Software

Raspberry Pi package manager: apt (Advanced Package Tool).

• apt-get install <package>: install
• apt-get update: package 목록 update
• apt-get upgrade: 설치된 package upgrade
• apt-get remove <package>: uninstall
• apt-get purge <package>: 설정 파일까지 제거
• dpkg -i <file>.deb: 로컬 .deb 파일 설치