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동호의 블로그

Computer System Overview

•4 min•705 words
OS

김덕수 교수님 운영체제 강의를 듣고 정리한 글입니다.

PC의 구성 요소

  • 하드웨어
    • CPU
    • GPU
    • 메모리
    • HDD/SDD
    • LAN
  • 소프트웨어
    • OS

운영체제

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컴퓨터 하드웨어

프로세서 (Processor)

계산하는 녀석

  • CPU
  • 그래픽 카드 (GPU)
  • 응용 전용 처리장치 등

메모리

저장하는 녀석

  • 주 기억장치 (DDRAM)
  • 보조 기억장치 등 (Disk)

주변장치

그 외

  • 키보드/마우스 (입력 장치)
  • 모니터, 프린터 (출력 장치)
  • 네트워크 모뎀 등 (네트워크 장치)

프로세서 (Processor)

  • 컴퓨터의 두뇌 (중앙처리장치)
    • 연산 수행
    • 컴퓨터의 모든 장치의 동작 제어

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레지스터 (Register)

  • 프로세서 내부에 있는 메모리
    • 프로세서가 사용할 데이터 저장
    • 컴퓨터에서 가장 빠른 메모리
  • 레지스터의 종류
    • 용도에 따른 분류
      • 전용 레지스터, 범용 레지스터
    • 사용자가 정보 변경 가능 여부에 따른 분류
      • 사용자 가시 레지스터, 사용자 불가시 레지스터
    • 저장하는 정보의 종류에 따른 분류
      • 데이터 레지스터, 주소 레지스터, 상태 레지스터

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  • 가시 레지스터 본 적 있나?
    • C 언어 register int num1 = 10;
    • 변수 num1은 CPU의 레지스터를 (가능한 한) 사용

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  • 대부분 전용 레지스터
  • 프로그램 카운터(PC), 명령어 레지스터(IR), 누산기(ACC) 정도는 뜻을 알고 있는게 좋음
    • PC → 다음에 실행할 코드의 주소
    • IR → 실행할 명령어를 보관
    • ACC → 계산하는 과정에서 값을 일시적으로 저장

프로세서의 동작

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  • ALU: 산술-논리 연산장치
  • ALU는 다양한 레지스터들과 상호작용하며 계산을 수행

운영체제와 프로세서 관계

  • 프로세서에게 처리할 작업 할당 및 관리
    • 프로세스(Process) 생성 및 관리
    • 3장
  • 프로그램의 프로세서 사용 제어
    • 프로그램의 프로세서 사용 시간 관리
    • 복수 프로그램간 사용 시간 조율 등
    • 4~5장

메모리 (Memory)

  • 데이터를 저장하는 장치 (기억장치)

    • 프로그램(OS, 사용자SW 등), 사용자 데이터 등

  • 메모리의 종류

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주기억장치 (Main memory)

  • 프로세서가 수행할 프로그램과 데이터 저장
  • DRAM을 주로 사용
    • 프로세서가 접근할 수 있는 친구들 중에선 용량이 크고, 가격이 저렴

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  • 디스크 입출력 병목현상(I/O bottleneck) 해소
  • CPU Speed ↔ Disk Speed의 갭을 줄이기 위해 Main Moery 계층이 등장
    • CPU가 처리하는 동안 Disk에서 데이터를 끄집어 내서 Main Memory에 저장

캐시 (Cache)

  • 프로세서 내부에 있는 메모리 (L1, L2 캐시 등)
    • 속도가 빠르고, 가격이 비쌈

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  • 메인 메모리의 입출력 병목현상 해소
  • 역시 마찬가지로 중간 계층으로 캐시를 둬서 병목현상 해소

캐시의 동작

  • 일반적으로 HW적으로 관리 됨
  • 캐시 히트 (Cache hit)
    • 필요한 데이터 블록이 캐시 존재
  • 캐시 미스 (Cache miss)
    • 필요한 데이터 블록이 없는 경우

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  • L1 Cache 크기 → 128kB
  • 에게? 그거 가지고 병목현상을 어떻게 해결해요? 라는 의문이 들 수 있음
  • 어떻게 해소가 가능한지 자세히 한번 살펴보자.

지역성 (Locality)

  • 공간적 지역성 (Spatial locality)
    • 참조한 주소와 인접한 주소를 참조하는 특성
    • 예) 순차적 프로그램 수행
  • 시간적 지역성 (Temporal locality)
    • 한 번 참조한 주소를 곧 다시 참조하는 특성
    • 예) For 문 등의 순환문
  • 지역성은 캐시 적중률(cache hit ratio)과 밀접
    • 알고리즘 성능 향상 위한 중요한 요소 중 하나
  • CPU가 메인 메모리(RAM) 에서 데이터를 캐시로 가져올 때는필요한 데이터 하나만 가져오는 것이 아니라 일정 크기의 묶음 단위로 가져옴.
    • 이 묶음 → Cache Line (또는 Cache Block)
    • 보통 64 bytes 정도 크기 (CPU에 따라 다름)

위 지역성 특성 때문에 캐시 공간이 작더라도 병목 현상을 충분히 해소시켜줄 수 있다!

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  • HW가 알아서 한다했잖슴 ㅋㅋ 근데 왜 우리가 알아야함?
  • 예시를 살펴보자.
  • 2차원 배열의 요소들을 다 더해서 x 변수에 집어넣는다고 해보자.
  • a[i][j] vs a[j][i]
    • a[j][i] -> 지속적인 Cache Miss 발생
    • a[i][j] → 블록 단위로 Cache Hit 발생 (성능 개선)
  • 캐시를 이해하고 있으면 우리 프로그램을 더 효율적으로 짤 수 있음 (위 순서에 따라 10배, 100배 차이)

보조기억 장치

  • 프로그램과 데이터를 저장
  • 프로세서가 직접 접근할 수 없음 (주변장치)
    • 주기억장치를 거쳐서 접근
    • (프로그램/데이터 > 주기억장치) 인 경우는?
      • 가상 메모리(Virtual Memory)
  • 용량이 크고, 가격이 저렴

메모리와 운영체제

  • 메모리 할당 및 관리
    • 프로그램의 요청에 따른 메모리 할당 및 회수
    • 할당된 메모리 관리
    • 7장
  • 가상 메모리 관리
    • 가상메모리 생성 및 관리
    • 논리주소 → 물리주소 변환
    • 8장

시스템 버스 (System Bus)

  • 하드웨어들이 데이터 및 신호를 주고 받는 물리적인 통로

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주변 장치

  • 프롯세서와 메모리를 제외한 하드웨어들

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  • 장치드라이버 관리
    • 주변 장치 사용을 위한 인터페이스 제공
  • 인터럽트 (Interrupt) 처리
    • 주변 장치의 요청 처리
    • 3장
  • 파일 및 디스크 관리
    • 파일 생성 및 삭제
    • 디스크 공간 관리 등
    • 9~10장