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01_Computer System Overview

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1. 컴퓨터 구성 요소

1.1. 운영체제의 정의

  • 시스템 관점에서의 운영체제: 자원 관리자 (Resource Manager)
    • 물리적 자원: CPU, 메모리, 보조기억장치, I/O, 네트워크
    • 추상적 자원: 프로세스, 페이지, 세그먼트, 파일, 디렉터리, 통신 프로토콜

1.2. 하드웨어 구성요소

  • 처리기(CPU)

    • ALU(연산), 제어 유닛, 레지스터로 구성
    • x86, ARM 등 다양한 종류 존재

  • 주기억장치(RAM)

    • 휘발성
    • 데이터와 프로그램 저장

  • 저장 장치

    • 비휘발성
    • 디스크, SSD, Flash Memory 등

  • 입출력 장치

    • 키보드/마우스(입력)
    • 모니터/프린터(출력)

  • 통신 장치

    • 이더넷, Bluetooth, CDMA 등

1.3. 마이크로프로세서의 발전

  • 마이크로프로세서: 단일 칩에 하나의 프로세서 집적 → 멀티코어로 발전
  • GPU: 단일 명령 다중 데이터(SIMD) 처리, 그래픽 및 범용 수치 연산
  • DSP: 오디오·비디오 스트림 신호 처리 전용 프로세서
  • SoC: CPU, 캐시, GPU, DSP, I/O, 주기억장치를 하나의 칩에 통합

1.4. 주요 레지스터

  • MAR: 메모리 주소 레지스터

  • MBR: 메모리 버퍼 레지스터

  • 제어 및 상태 레지스터

    • PC (Program Counter): 다음에 실행할 명령어 주소
    • IR (Instruction Register): 현재 실행 중인 명령어
    • PSW (Program Status Word): 인터럽트 활성화, 슈퍼바이저/사용자 모드, 조건 코드 관리

2. 명령어 실행

  • 명령어 사이클 (Instruction Cycle)

    • 반입(Fetch) → 수행(Execute) 2단계로 구성됨
    1. PC가 가리키는 주소에서 명령어를 메모리로부터 읽어 IR에 저장
    2. PC 값을 증가
    3. IR의 명령어를 해석하고 실행
    4. 반복

  • 명령어 범주

    • 처리기-메모리 전달
    • 처리기-I/O 전달
    • 데이터 처리(산술·논리)
    • 제어(분기)

2.1. Process Memory Layout (Process Image)

프로그램 → 메모리: 프로세스 이미지

영역저장 내용할당 시기해제 시기
PCB
(프로세스 제어 블록)		프로세스 정보
(PID, 프로세스 상태, CPU 레지스터, PC 등)		프로세스 생성프로세스 종료
Code/Text Segment프로그램의 읽기 전용 기계어 명령어프로그램 시작프로그램 종료
Data Segment정적 할당 변수 (전역 변수)프로그램 시작프로그램 종료
Heap Segment동적 할당 변수런타임런타임
Free Area사용 가능한 여유 메모리 공간--
Stack Segment지역 변수, 매개변수, 리턴 값 등함수 호출함수 종료

2.2. 프로그램 제어 예

#include <stdio.h>
 
int a = 1, b = 2, c = 3; // data(global)
 
int main(void) {
    int c, d, e; // stack-main
    
    c = a + b; // stack-main(local)의 c 사용
    d = a * b;
    e = func1(c, d);
    
    printf("main: a = %d, b = %d, c = %d, d = %d, e = %d\n", a, b, c, d, e);
    // (3) main: a = 24, b = 412, c = 3, d = 2, e = 24
}
 
int func1(int x, int y) {
    int b, c, d, e = 1; // stack-func1
    
    b = x + y;
    c = x * y;
    d = a + b + c;
    a = b + c + d + e; // data
    
    e = func2(b, c, d);
    
    printf("func1: a = %d, b = %d, c = %d, d = %d, e = %d\n", a, b, c, d, e);
    // (2) func1: a = 24, b = 5, c = 6, d = 12, e = 25
    
    return(e - 1);
}
 
int func2(int x, int y, int z) {
    int a, d, e; // stack-func2
    
    a = x + y + z;
    d = x * y * z;
    e = a + c;
    b = a + c + d + e; // data
    
    printf("func2: a = %d, b = %d, c = %d, d = %d, e = %d\n", a, b, c, d, e);
    // (1) func2: a = 23, b = 412, c = 3, d = 360, e = 26
    
    return(e - 1);
}

3. 인터럽트

  • 인터럽트 (Interrupt)

    • I/O 장치는 CPU보다 훨씬 느리므로,
    • CPU가 무작정 기다리는 대신(Blocking I/O)
    • 장치가 작업 완료 시 CPU에 인터럽트를 보내 효율을 높임

  • 메모

    • 운영체제는 스스로 무언가를 하려는 목적(Active)이 있는 소프트웨어가 아니라, 다른 프로그램들을 관리하고 지원(Support)하는 프로그램
    • 필요할 때 인터럽트를 통해 프로그램과 소통하며 제어권을 뺏거나 넘겨주는 방식으로 동작
인터럽트 분류설명
프로그램오버플로, 0으로 나누기, 불법 명령어 등
타이머CPU 내부 타이머에 의해 발생
입출력I/O 장치가 연산 완료 또는 오류 시 발생
하드웨어 실패전원 결함, 메모리 패리티 오류 등

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  • 인터럽트 처리 절차
    1. 장치가 인터럽트 발생
    2. CPU가 현재 명령어 완료 후 인터럽트 확인
    3. PSW와 PC를 제어 스택에 저장 (문맥(Context) 보존; CPU 레지스터 등)
    4. 인터럽트 처리 루틴 실행 (운영체제 내의 서비스 프로그램)
    5. 프로세스 상태 복구 후 원래 프로그램으로 복귀
    • 프로세스 스위칭; 컨텍스트 스위칭
구분저장 위치저장 정보
인터럽트 발생커널 스택PC, PSW, 범용 레지스터, SP
문맥 교환커널 메모리의 PCBPC, 레지스터 전체, 메모리 관리 정보, 프로세스 상태, I/O 상태
  • 다중 인터럽트 처리 방식
    • 순차적 처리: 한 인터럽트 처리 중 다른 인터럽트 불능화
    • 중첩 처리: 우선순위에 따라 높은 우선순위 인터럽트가 낮은 것을 중단시킬 수 있음

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cf. 전형적인 접근 시간 비교

항목시간사람의 시간으로 환산
Processor Cycle0.5 ns (2GHz)1초
Cache Access1 ns (1GHz)2초
Memory Access15 ns30초
Context Switch5,000 ns (5us)167분
Disk Access7,000,000 ns (7ms)162일
Time Quantum100,000,000 ns (100ms)6.3년

Computer System의 전형적인 수행시간 (과거 자료이지만 대략적인 비율은 비슷함)

4. 메모리 계층 구조

빠를수록 비싸고 용량이 작음 느릴수록 저렴하고 용량이 큼

레지스터 (가장 빠름)
	↓
캐시 (L1 → L2 → L3)
	↓
주기억장치 (RAM)
	↓
보조기억장치 (SSD, HDD)
	↓
오프라인 저장장치 (가장 느림)
  • cf.
    • 보드 내 메모리: 레지스터 / 캐시 / 주기억장치
    • 보드 외 메모리: 자기 디스크, CD, DVD
    • 오프라인 저장장치: 자기 테이프, MO, WORM

4.1. 캐시 메모리

  • 캐시 메모리 (Cache Memory)

    • 자주 사용하는 데이터를 빠른 메모리에 복사해 두는 기법
    • 참조 지역성(Locality of Reference) 원리를 활용

  • 참조 지역성(Locality of Reference) 원리

    • 시간적 지역성
      • 최근에 참조한 메모리를 다시 참조할 가능성이 높다.
      • 반복문 변수의 반복 접근
    • 공간적 지역성
      • 최근에 참조한 메모리와 인접한 메모리를 참조할 가능성이 높다.
      • 데이터 지역성: 배열 요소의 순차적 접근
      • 명령어 지역성: 명령어의 순차적으로 실행

  • 적중률 (Hit Ratio)

    • 필요한 데이터가 캐시에 저장되어 있어(Cache Hit) 이를 바로 가져올 수 있는 비율
    • 계산 예시
      • 캐시 적중률
      • 레벨 1 메모리(캐시 메모리) 접근 시간
      • 레벨 2 메모리(메인 메모리) 접근 시간
      • 평균 메모리 접근 시간

cf. 캐시 설계 요소

캐시 설계 요소설명
캐시 크기작아도 성능에 큰 영향
블록 크기클수록 적중률 상승 (단, 한계 존재)
매핑 함수블록이 캐시 어느 위치에 저장될지 결정
교체 알고리즘LRU(Least Recently Used) 등
쓰기 정책즉시 쓰기(Write-through) vs 나중 쓰기(Write-back)

5. I/O 통신 방식

I/O 통신 방식설명단점
프로그램된 I/O
(Programmed I/O)		CPU가 완료될 때까지 상태를 계속 확인
아주 단순한 임베디드 시스템		CPU 낭비 심함
인터럽트 구동 I/O
(Interrupt-driven I/O)		완료 시 인터럽트로 CPU에 알림
임베디드 시스템		데이터가 CPU를 통해 이동
직접 메모리 접근
(DMA; Direct Memory Access)		I/O 컨트롤러가 CPU 없이 메모리와 직접 데이터 전송
일반 목적 컴퓨터 시스템		구현 복잡
  • DMA 동작 과정
    1. CPU가 DMA에 I/O 요청 후 다른 작업 수행
    2. DMA가 메모리와 I/O 장치 사이에 직접 데이터 전송
    3. 완료 시 DMA가 CPU에 인터럽트로 통보

6. 하드웨어 보호

  • 이중 모드 연산
    • 사용자 모드 (1): 일반 사용자 프로그램 실행
    • 커널(시스템) 모드 (0): 운영체제가 특권 명령어(Privileged Instructions) 실행
    • 인터럽트/장애 발생 시 자동으로 커널 모드로 전환
보호 메커니즘 3가지방법
I/O 보호모든 I/O 명령은 특권 명령, 반드시 OS를 통해서만 수행(System Call)
메모리 보호베이스/경계 레지스터로 프로그램의 접근 가능 메모리 영역 제한
CPU 보호타이머 인터럽트로 특정 프로그램이 CPU를 독점하지 못하도록 함

그래프 뷰

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