[운영체제] 1. 컴퓨터 하드웨어의 구성

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컴퓨터 하드웨어의 구성

 

컴퓨터 시스템은 물리적 장치인 하드웨어와 명령어로 어떤 작업을 지시할 수 있게 작성한 프로그램인 소프트웨어로 구성된다.

하드웨어는 크게 프로세서(CPU) 메모리(RAM) 주변장치로 이루어져 있고 이들은 시스템 버스로 연결된다.

 

프로세서

 

프로세서는 하드웨어에 부착된 모든 장치의 동작을 제어하고 명령을 실행한다.

 

보통 CPU라고 부르기도 하지만 소프트웨어적 느낌이 강한 프로세서를 주로 이야기할 것이다.

 

프로세서에서는 크게 레지스터 연산장치 제어 장치로 구분되며 이들은 또한내부 버스로 연결된다.

 

레지스터

 

레지스터는 여러 관점으로 구분할 수 있는데 용도에 따라 전용 레지스터 와 범용 레지스터로 구분되며 사용 용도에 따라 사용자 가시 레지스터(user-visible) 사용자 불가시 레지스터(user-invisible) 로 구분할 수 있다. 또한 저장하는 정보의 종류에 따라 데이터 레지스터 주소 레지스터 상태 레지스터로 나뉜다.

 

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용도에 따른 레지스터 정리

 

사용자의 용도

• 전용 레지스터 : 범용적으로 사용될 수 있는 레지스터 ex) EAX, EBX, ECX...
• 범용 레지스터 : 특수한 목적으로 사용하는 레지스터명령 포인터 레지스터, Segment Register

 

사용자가 정보를 변경할 수 있는지

• 사용자 가시 레지스터 : 사용자가 운영체제와 프로그램을 이용하여 정보를 변경할 수 있는 레지스터로 접근이 가능한 데이터와 주소, 일부 조건 코드를 보관한다 ex)데이터 레지스터, 주소 레지스터
• 사용자 불가시 레지스터 : 프로세서의 상태와 제어등과 같이 사용자가 정보를 변경할 수 없는 레지스터이다.

PC IR ACC MAR MBR등이 있다.

 

저장하는 정보의 종류에 따라

• 데이터 레지스터 : 함수 연산에 필요한 데이터를 저장하고 논리 연산에 사용
• 주소 레지스터 : 나 유효 주소를 계산하는데 필요한 주소 일부분을 저장기준 주소 레지스터 인덱스 레지스터 스택 포인터 레지스터가 있다.
• 상태 레지스터 : 연산 결과의 상태를 알려주는 플래그 비트가 모인 레지스터

 

메모리

메모리는 속도가 느리지만 용량이 큰 보조기억장치 부터 속도는 빠르나 용량이 작은 레지스터까지 메모리의 종류가 다양하다.

 

메모리 계층 구조는 1950년대 부터 1960년대 너무 비싼 메모리의 가격 문제때문에 제안한 방법으로 프로그램을 실행하거나 데이터를 참조하려면 모두 메인 메모리에 올려야 한다 (폰 노이만의 프로그램의 내장형 방식) 프로그램을 메인 메모리에 올린 뒤 보조기억장치의 데이터를 상주시키는 방식으로 메모리의 구동이 이루어진다.

 

메모리의 계층 구조는 속도, 비용, 크기가 다른 메모리를 효과적으로 사용함으로써 시스템의 성능을 향상시킨다.

 

메모리 계층 구조

(속도)
-> 레지스터 -> 캐시 -> 메인 메모리(RAM) -> 보조 기억장치

 

레지스터

프로세서의 내부에 있으며 프로세서가 사용할 데이터를 보관하는 가장 빠른 메모리이다.

 

메인 메모리

프로세스 외부에 있으며, 프로세서에서 즉각적으로 수행할 프로그램과 데이터를 저장하거나 처리 결과를 메인 메모리에 저장한다. 이를 주기억장치 또는 1차 기억장치라고 표현하기도 한다.

 

메인 메모리는 다수의 물리적 셀로 구성되며, 각 셀은 비트로 구성되는데 메인 메모리에 우리가 데이터를 저장할 때 셀 한 개나 여러 개에 나눠서 저장을 한다.

 

셀은 주소를 참조하는데, n비트라면 주소 범위는 $$ 0~2^n - 1 $$ 이다. 우리가 보통 사용하는 윈도우 운영체제의 비트 수를 흔히 64비트라고 하는데 32비트 운영체제의 주소 공간이 4,294,967,296인 크기에 비하면 64비트는 엄청난 수의 주소가 있음을 알 수 있다.

 

또한 메인 메모리는 프로세소와 보조기억장치 사이에 있으며 디스크 입출력 병목현상 또한 해결하는 역할도 한다.

 

하지만 프로세서와 메인 메모리 사이 속도차이가 나면서 메인 메모리의 부담을 줄이기 위해 캐시 메모리를 추하가기도 한다.

 

메모리 매핑

• 물리적 주소 : 컴퓨터에 주어진 주소 실제적인 메모리 주소 번호

• 논리적 주소 : 프로그래머가 수식이나 변수를 사용하여 메모리를 할당 받으면 컴파일러가 프로그램을 기계 명령어로 변환할 때 변수와 명령어에 주소를 할당하는 주소 가상 주소, 프로그램 주소

컴파일러로 논리적 주소를 물리적 주소로 변환하는 과정

 

메모리 속도

메모리 속도는 메모리 접근시간 + 메모리 사이클 시간으로 표현할 수 있다.

• 메모리 접근 시간 : 명령이 발생한 후 목표 주소를 검색하여 데이터 쓰기를 시작할 때 까지 걸리는 시간

읽기 제어 신호를 가한 후 데이터를 MBR에 저장할 떄 까지 걸리는 시간

• 메모리 사이클 시간 : 두 번의 연속적인 메모리 동작 사이에 필요한 최소 지연시간.

읽기 제어 신호를 가한 다음 읽기 제어 신호를 가할 수 있을 때까지 필요한 시간

 

캐시 메모리

프로세서 내부나 외부에 있으며, 처리 속도가 빠른 프로세서와 상대적으로 느린 메인 메모리의 속도 차이를 보완하고 데이터를 메인 메모리에서 블록 단위로 가져와 프로세서에 워드 단위로 전달하여 속도를 높인다.

1. 램으로부터 블록단위의 데이터 가져오기
2. 프로세서에게 워드 데이터 단위로 전송

캐시의 성능은 작은 용량의 캐시에 프로세서가 이후에 참조할 정보가 얼마나 있냐로 좌우된다.

 

• 캐시 적중: Cache hit로 불리며 프로세서가 참조하려는 정보가 캐시에 있을 때
• 캐시 실패: Cache miss로 불리며 프로세서가 참조하려는 정보가 캐시에 없을 때

 

실제 프로그램을 실행할 때 참조한 메모리에 대한 공간적 지연성과 시간적 지연성이 있기 때문에 cache hit, cache miss가 존재하는 것이다.

 

• 공간적 지연성 > 대부분의 프로그램이 참조한 주소와 인접한 주소의 내용을 다시 참조하려는 특성
• 시간적 지연성 > 한 번 참조한 주소를 다시 곧 참조하려는 특성

 

시스템 버스

 

시스템 버스는 하드웨어를 물리적으로 연결하여 서로 데이터를 주고받을 수 있게 하는 통로이며 컴퓨터 내부의 다양한 신호(데이터 입출력신호, 프로세서 상태 신호, 인터럽트 요구와 허가 신호, 클록 신호)가 시스템 버스로 전달된다. 시스템 버스는 기능에 따라

 

데이터 버스

프로세서와 메인 메모리, 주변 장치 사이에서 데이터를 전송한다. 프로세서가 한 번에 전송할 수 있는 비트 수워드

주소 버스

프로세서가 시스템의 구성 요소를 식별하는 주소 정보를 전송한다. 주소 버스를 구성하는 배선 수는 메모리 최대 용량을 결정

제어 버스

프로세서가 시스템의 구성 요소를 제어하는데 사용된다. 제어 신호로 메인 메모리의 읽기나 쓰기 동작을 결정
로 나뉜다.