#1 운영체제와 컴퓨터 구조의 이해

운영체제를 공부하기 전, 컴퓨터 구조 시리즈를 가볍게 읽고 오시는걸 추천드립니다.

2021.05.25 - [전공 공부/컴퓨터구조] - 컴퓨터 구조 #1 (컴퓨터의 시작, 전자장치)

컴퓨터 구조 #1 (컴퓨터의 시작, 전자장치)

 

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#1. 운영체제

현대의 컴퓨터란, 폰노이만 구조로 프로세스와 메모리(프로그램, 데이터)로 구성된 장치를 말합니다. 컴퓨터는 정말 많은 발전이 있었지만 결국 입력을 받아 계산을 하고 출력을 하는 건 동일합니다.

결국 컴퓨터의 모든 것은 프로세서, 메모리, 주변 입출력장치로 구분이 가능합니다.

하지만 수많은 입출력 장치들을 관리하고, 메모리에서 필요한 정보를 읽어와 프로세서에게 작업을 주는 작업은 정말 복잡합니다. 또한 우리는 컴퓨터 하나에 정말 수많은 프로그램들을 동시에 돌리는데, 이게 어떻게 가능한걸까요?

 

정답은 바로 이 수많은 작업들을 대신해주는 소프트웨어가 컴퓨터의 부팅과 함께 시작되기 때문입니다. 그것이 바로 Operating System, 운영체제이죠.

1. 컴퓨터 시스템의 자원들을 '효율적' 으로 관리 
2. 사용자가 하드웨어 구조를 모르더라도 편리하게 사용할 수 있는 환경 제공 (추상화)
3. 프로그램 <-> 하드웨어 간의 인터페이스를 제공하는 시스템 소프트웨어

프로그램은 컴퓨터의 자원을 직접 조작,사용할 수 없습니다. 운영체제에 요청하여야 합니다.

 

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# 운영체제 이해를 위한 컴퓨터 구조

운영체제는 처리할 작업에 프로세스와 메모리를 할당해주고, 보조장치의 입출력을 제어합니다.

 

@ 프로세서 (Process)

중앙처리장치(CPU)라고도 불리며 컴퓨터의 모든 동작을 제어하고, 연산을 처리한다. CPU 내부에는 아주 작고 빠른 레지스터라는 메모리를 포함하고 있다. 실제로 CPU가 동작할 때 다양한 레지스터를 활용하도록 설계되어 있다.

https://www.youtube.com/watch?v=Fg00LN30Ezg 

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@ 레지스터 (register)

레지스터는 CPU에 포함된 가장 빠르고, 작은 메모리로  CPU가 연산하거나 시스템을 조작할 때 직접 사용하는 메모리입니다. 레지스터에는 생각보다 다양한 종류가 있는데, 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

• 용도에 따른 분류
  - 전용 레지스터(용도가 있음), 범용 레지스터(자유롭게 사용)
• 사용자의 변경 가능 여부에 따른 분류
  - 사용자 가시 레지스터(코드로 조작 가능), 불가시 레지스터
• 저장하는 정보에 따른 분류
  - 데이터 레지스터, 주소 레지스터, 상태 레지스터

외울필요는 없고, 한번 읽어만 보자.

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@ 메모리(Memory)

레지스터를 포함하여 컴퓨터에서 무언가를 '저장'하는건 전부 메모리입니다. 메모리는 계층구조로 이루어져있습니다.

속도가 빠를 수록 가격이 비쌉니다. 용도에 따라 알맞은 메모리를 사용합니다.

 

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@ 주기억장치 (Main Memory)

저장장치(하드디스크)에서 바로 CPU의 레지스터로 바로 전송하면 될 것 같은데, 굳이 Main memory를 중간에 두는 이유는 디스크<->레지스터의 입출력 병목현상을 해소하기 위함입니다. 디스크가 아무리 빨라도 CPU의 속도를 맞추긴 어렵습니다. 그래서 물리적으로 데이터를 기록하지 않고, 전기/전자방식을 사용하는 Main Memory를 두는 것입니다. 메인 메모리는 전기가 끊어지면 데이터가 사라진다는 단점이 있지만 메모리 접근속도가 매우 빠릅니다. 디스크가 초당 5000번이라면, 메모리는 초당 10억번 접근 가능합니다.

 

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@ 캐시 메모리(Cache Memory)

현대의 컴퓨터는 프로세서나 메인보드에 L1, L2 캐시라고 불리우는 '캐시 메모리'를 추가적으로 사용합니다. 캐시메모리에는 자주 사용되는 데이터들을 미리 불러와두는 버퍼 역할을 하는데, 결국 캐시메모리도 메인메모리<-> 레지스터의 입출력 병목현상을 해소하기 위해 메모리 계층구조로 만들어진 것입니다.

현대의 일반적인 CPU는 L3캐시까지는 잘 쓰지 않습니다. 메모리 성능이 좋아져서 L1,L2로 충분하기 때문입니다.

캐시는 특별한 상태를 관리하는게 아니라, 말 그대로 자주 사용되는 데이터를 미리 가져와두는 메모리입니다. 보통 CPU에서 하드웨어적으로 관리되며 캐시안에 있는 데이터중에 CPU에 필요한 데이터가 있다면 캐시 히트(Cache hit), 없다면 캐시 미스(Cache Miss)라고 합니다. 캐시 미스가 발생한다면 필요한 데이터를 메인메모리에서 캐시로 가져옵니다.

대역폭은 한번에 전송되는 데이터의 크기(=통로의 크기)를 의미합니다. 

 

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@ 컴퓨터 메모리의 지역성(Locality)

CPU 입장에서 어떻게 다음에 실행될 메모리를 미리알고, 캐시안에 넣어둘 수 있을까요? 그건 바로 컴퓨터에 사용되는 메모리는 지역성이라는 특징을 가지고 있기 때문입니다. 지역성은 캐시 적중률(cache hit ratio) 향상과 밀접한 관계가 있으며 컴퓨터 성능에 큰 영향을 끼칩니다. (참고로 현대의 컴퓨터에는 지역성과 함께 CPU에 머신러닝 기술을 접목시키도 합니다.

• 공간적 지역성 (Spatial Locality)
  메모리를 순차적으로 많이 사용합니다. 참조한 주소와 인접한 주소를 참조합니다.
• 시간적 지역성 (temporal Locality)
  한 번 참조한 주소를 곧 다시 참조하는 특성이 있습니다. (반복문, 객체등)

현대의 프로세서 cache hit ratio 는 보통 95% 이상입니다.

 

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@ 보조기억 장치

CPU의 병목현상을 해결하기위해 레지스터, 캐시, 메인메모리가 생기게 되며 자연스럽게 프로그램을 저장하는 메모리를 '보조기억 장치'라고 부르게 되었습니다. 보조기억장치는 CPU가 직접 조작할 수 없습니다. 그 대신 보통 용량이 크고, 가격이 저렴합니다. ( 현대에는 ROM->USB->SSD를 거쳐 보조기억장치의 속도가 많이 빨라졌긴하나 메인메모리의 속도와 비교할 정도는 아닙니다. 결국 전기가 끊겨도 데이터를 '유지'해야하는 차이가 있으니까요.

보조기억장치는 CPU가 직접 조작할 수 없습니다. (=주변 입출력 장치)

참고로 메인메모리가 부족할 때 디스크를 빌려 잠깐 저장해두는 경우가 있는데 이를 '가상 메모리'라고 합니다. 프로그램에서는 마치 메인 메모리를 사용하는 것처럼 동작하니까요.

 

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@ 시스템 버스 (System Bus)

CPU는 장치들과 BUS구조로 전기 신호를 주고 받습니다. 프로세서가 메모리나 입출력 장치들을 BUS를 이용하여 제어하고, 필요한 값들을 레지스터로 받아오거나 반대로 메모리에 저장합니다.

주소는 단방향, 데이터와 제어는 양방향으로 주고 받습니다.

 

CPU가 레지스터를 이용하여 메모리에 접근하는 과정을 큰 그림으로 본다면 아래와 같습니다.

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@ 입출력장치와 드라이버

입출력장치는 컴퓨터의 구성요소는 아니고, 사용자에게 입출력을 제공하기 위해 만듭니다.

입출력장치는 정말 다양하게 존재합니다. 프로그램을 저장할 디스크를 포함해서 키보드, 마우스, 프린터, 터치스크린, 스피커... 운영체제가 미래에 나올 모든 입출력장치와 호환되는 인터페이스를 만드는 것은 사실상 불가능합니다.

그래서 운영체제에서 해당 드라이버를 조작할 수 있게 해주는 표준 인터페이스를 제공해주고, 장치 제조사(벤더)에서 해당 인터페이스를 만들게 되는데 이를 '장치 드라이버 프로그램'이라고 합니다.