혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제 - 컴퓨터 4대 핵심 부품

04 CPU의 작동 원리

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ALU

ALU는 계산하기 위한 부품이다. 계산하기 위해서는 피현산자와 수행할 연산이 필요하다. 그래서 ALU는 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고, 제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어 신호를 받아들인다. ALU는 레지스터와 제어장치로부터 받아들인 피연산자와 제어 신호로 산술 연산, 논리 연산 등 다양한 연산을 수행한다.

연산을 수행한 결과는 특정 숫자나 문자가 될 수도 있고, 메모리 주소가 될 수도 있다. 그리고 이 결과값은 바로 메모리에 저장되지 않고 일시적으로 레지스터에 저장된다. CPU가 메모리에 접근하는 속도는 레지스터에 접근하는 속도보다 훨씬 느리다. ALU가 연산할 때마다 결과를 메모리에 저장한다면 당연하게도 CPU는 메모리에 자주 접근하게 되고, 이는 CPU가 프로그램 실행 속도를 늦출 수 있다. 그래서 ALU 결과값을 메모리가 아닌 레지스터에 우선 저장하는 것이다.

ALU는 연산 결과와 더불어 이에 대한 추가적인 상태정보인 플래그(flag)를 내보낸다. 대표적은 플래그는 아래와 같다.

플래그 종류	의미	사용 예시
부호 플래그	연산한 결과의 부호를 나타낸다.	1일 경우 계산 결과는 음수, 0일 경우 양수를 의미
제로 플래그	연산 결과가 0인지 여부를 나타낸다.	1일 경우 연산 결과는 0, 0일 경우 연산 결과는 0이 아님을 의미
캐리 플래그	연산 결과 올림수나 빌림수가 발생했는지를 나타낸다.	1일 경우 올림수나 빌림수가 발생했음을 의미하고, 0일 경우 발생하지 않았음을 의미
오버플로우 플래그	오버플로우가 발생했는지를 나타낸다.	1일 경우 오버플로우가 발생했음을 의미하고, 0일 경우 발생하지 않았음을 의미
인터럽트 플래그	인터럽트가 가능한지를 나타낸다.	1일 경우 인터럽트가 가능함을 의미하고, 0일 경우 인터럽트가 불가능함을 의미
슈퍼바이저 플래그	커널 모드로 실행 중인지, 사용자 모드로 실행 중인지를 나타낸다.	1일 경우 커널 모드로 실행 중임을 의미하고, 0일 경우 사용자 모드로 실행 중임을 의미

이러한 플래그는 CPU가 프로그램을 실행하는 도중 반드시 기억해야 하는 일종의 참고 정보이다. 그리고 플래그들은 플래그 레지스터라는 레지스터에 저장된다. 플래그 레지스터는 이름 그대로 플래그 값들을 저장하는 레지스터이다.

제어장치

제어 신호를 내보내고, 명령어를 해석하는 부품이다. 제어장치가 받아들이는 정보는 아래와 같다.

첫째, 클럭 신호를 받아들인다. 클럭(clock)이란 컴퓨터의 모든 부품을 일사불란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위이다. 클럭의 "똑-딱-똑-딱" 주기에 맞춰 한 레지스터에서 다른 레지스터로 데이터가 이동되거나, ALU에서 연산이 수행되거나, CPU가 메모리에 저장된 명령어를 읽어 들인다.

둘째, '해석해야 할 명령어'를 받아들인다. CPU가 해석해야 할 명령어는 명령어 레지스터라는 특별한 레지스터에 저장된다. 제어장치는 이 명령어 레지스터로부터 해석할 명령어를 받아들이고 해석한 뒤, 제어 신호를 발생시켜 컴퓨터 부품들에 수행해야 할 내용을 알려준다.

셋째, 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들인다. 플래그는 ALU 연산에 대한 추가적인 상태 정보라고 했다. 제어장치가 제어 신호를 통해 컴퓨터 부품들을 제어할 때 이 플래그 값을 받아들이고 이를 참고하여 제어 신호를 발생시킨다.

넷째, 시스템 버스, 그중에서 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들인다. 제어 신호는 CPU뿐만 아니라 입출력장치를 비롯한 CPU 외부 장치도 발생시킬 수 있다. 제어장치는 제어 버스를 통해 외부로부터 전달된 제어 신호를 받아들이기도 한다.

제어장치가 내보내는 정보에는 크게 CPU 외부에 전달하는 제어 신호와 CPU 내부에 전달하는 제어 신호가 있다. 제어장치가 CPU 외부에 제어 신호를 전달한다는 말은 곧, 제어 버스로 제어 신호를 내보낸다는 말과 같다. 이러한 제어 신호에는 크게 메모리에 전달하는 제어 신호와 입출력장치에 전달하는 제어 신호가 있다. 제어장치가 CPU 내부에 전달하는 제어 신호에는 크게 ALU에 전달하는 제어 신호와 레지스터에 전달하는 제어 신호가 있다. ALU에는 수행할 연산을 지시하기 위해, 레지스터에는 레지스터 간에 데이터를 이동시키거나 레지스터에 저장된 명령어를 해석하기 위해 제어 신호를 내보낸다.

반드시 알아야 할 레지스터

1. 프로그램 카운터(PC: Program Counter) : 메모리에서 가져올 명령어의 주소, 즉 메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장한다.
2. 명령어 레지스터(IR: Instruction Register) : 해석할 명령어, 즉 방금 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장하는 레지스터이다. 제어장치는 명령어 레지스터 속 명령어를 받아들이고 이를 해석한 뒤 제어 신호를 내보낸다.
3. 메모리 주소 레지스터(MAR: Memory Address Register) : 메모리의 주소를 저장하는 레지스터이다. CPU가 읽어 들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 메모리 주소 레지스터를 거치게 된다.
4. 메모리 버퍼 레지스터(MBR: Memory Buffer Register) : 메모리와 주고받을 값(데이터와 명령어)을 저장하는 레지스터이다. 즉, 메모리에 쓰고 싶은 값이나 메모리로부터 전달받은 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거친다. CPU가 주소 버스로 내보낼 값이 메모리 주소 레지스터를 거친다면, 데이터 버스로 주고 받을 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거친다.
5. 범용 레지스터(general puropse register) : 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터이다. 데이터와 주소를 모두 저장할 수 있다.
6. 플래그 레지스터(flag register) : 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 레지스터이다.
7. 스택 포인터 : 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터로 스택 주소 지정 방식에서 이용된다.
8. 베이스 레지스터 : 베이스 레지스터 주소 지정 방식에서 사용되는 '기준 주소로부터 떨어진 거리'로서의 역할을 하는 레지스터

그 외

• 명령어 사이클은 하나의 명령어가 처리되는 주기로, 인출, 실행, 간접, 인터럽트 사이클로 구성되어 있다.
• 인터럽트는 CPU의 정상적인 작업을 방해하는 신호이다.
• 인터럽트의 종류에는 예외와 하드웨어 인터럽트가 있다.
  • 예외(exception)은 동기 인터럽트(synchronous interrupt)라고도 불리며, CPU에 의해 발생하는 인터럽트이다. CPU가 명령어들을 수행하다가 예상치 못한 상황에 마주쳤을 때, 가령 CPU가 실행하는 프로그래밍상의 오류와 같은 예외적인 상황에 마주쳤을 때 발생한다.
  • 하드웨어 인터럽트는 비동기 인터럽트(asynchronous interrupt)라고도 불리는 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트이다. 프린터 출력 완료, 키보드나 마우스같은 데서 입력을 받아들였을 때 이를 처리하기 위해 CPU에 알림을 보내는 것이다. 아래 순서로 처리하게 된다.
    1. 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보낸다.
    2. CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인한다.
    3. CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부를 확인한다.
    4. 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업한다.
    5. CPU는 인터럽트 벡터(interrupt vector: 인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보)를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
    6. 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 4에서 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개한다.
• 인터럽트 서비스 루틴(ISR: Interrupt Service Routine)은 인터럽트를 처리하기 위한 동작들로 이루어진 프로그램이다.

 

05 CPU 성능 향상 기법

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이 장은 CPU 하드웨어적인 부분에 깊게 들어가는 관계로 간략히 정리한다.

빠른 CPU를 위한 설계 기법

• 클럭 속도가 높은 CPU는 빠르게 작동한다.
• 코어란 CPU 내에서 명령어를 실행하는 부품이다.
• 멀티코어 프로세서란 여러 개의 코어를 포한하는 CPU를 말한다.
• 스레드에는 하드웨어적 스레드와 소프트웨어적 스레드가 있다.
• 멀티스레드 프로세서란 하나의 코어로 여러 개의 명령어를 동시에 실행할 수 있는 CPU를 말한다.

명령어 병렬 처리 기법

• 명령어 파이프라이닝은 동시에 여러 개의 명령어를 겹쳐 실행하는 기법이다.
• 슈퍼 스칼라는 여러 개의 명령어 파이프라인을 두는 기법이다.
• 비순차적 명령어 처리 기법은 파이프라인의 중단을 방지하기 위해 명령어를 순차적으로 처리하지 않는 기법이다.

CISC와 RISC

• ISA(Instruction Set Architecture)는 CPU의 언어이자 하드웨어가 소프트웨어를 어떻게 이해할지에 대한 약속이다.
• CISC(Complex Instruction Set Computer)는 복잡하고 다양한 종류의 가변 길이 명령어 집합을 활용한다.
• RISC(Reduced Instruction Set Computer)는 단순하고 적은 종류의 고정 길이 명령어 집합을 활용한다.

 

06 메모리와 캐시 메모리

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RAM의 용량과 성능

RAM 용량이 크면 어떤 점이 좋을까? CPU가 실행하고 싶은 프로그램이 보조기억장치에 있다면 이를 RAM으로 가져와야 할 텐데, RAM 용량이 작다면 보조기억장치에서 실행할 프로그램을 가져오는 일이 잦아 실행 시간이 길어진다. 하지만 RAM 용량이 충분히 크다면 보조기억장치에서 많은 데이터를 가져와 미리 RAM에 저장할 수 있어 많은 프로그램을 동시에 빠르게 실행하는 데 유리하다.

RAM 의 종류

• DRAM : Dynamic RAM의 준말로 데이터가 동적(dynamic)으로 변하는(사라지는) RAM이다. 즉, DRAM은 시간이 지나면 저장된 데이터가 점차 사라지고, 데이터의 소멸을 막기 위해 일정 주기로 데이터를 재활성화(다시 저장)해야 한다. 이런 단점에도 불구하고 소비 전력이 낮고, 저렴하고, 집적도가 높아 대용량으로 설계하기 용이하기 때문에 일반적으로 많이 사용된다.
• SRAM : Static RAM의 준말로, 저장된 데이터가 변하지 않는 RAM을 의미한다. DRAM처럼 주기적으로 데이터를 재활성화할 필요가 없고, 속도가 DRAM보다 더 빠르다. 하지만 DRAM보다 집적도가 낮고, 소비 전력도 크며, 가격도 더 비싸기 때문에 캐시 메모리에 사용되고 메인 메모리에는 잘 사용되지 않는다.
• SDRAM : Synchronous Dynamic RAM은 클럭 신호와 데이터 이동 주기가 동기화된, 발전된 형태의 DRAM이다.
• DDR SDRAM : Double Data Rate SDRAM은 최근 가장 흔히 사용되는 RAM으로 대역폭을 넓혀 속도를 빠르게 만든 SDRAM이다. SDRAM은 한 클럭에 하나씩 정보를 주고받을 수 있는데 반해, DDR SDRAM은 2번 주고받을 수 있어 전송 속도가 2배 가량 빠르다. DDR2, DDR3, DDR4로 갈수록 이전 버전에 비해 대역폭이 2배씩 커진다.

물리 주소와 논리 주소

물리 주소(physical address)는 정보가 실제로 저장된 하드웨어상의 주소이고, 논리 주소(logical address)는 CPU와 실행 중인 프로그램이 사용하는 주소로 0번지부터 시작되는 주소를 의미한다. 그리고 논리 주소와 물리 주소 간의 변환은 CPU와 주소 버스 사이에 위치한 메모리 관리 장치(MMU: Memory Management Unit)라는 하드웨어에 의해 수행된다. MMU는 CPU가 발생시킨 논리 주소에 베이스 레지스터 값을 더하여 논리 주소를 물리 주소로 변환한다. 예를 들어 현재 베이스 레지스터에 15000이 저장되어 있고 CPU가 발생시킨 논리 주소가 100번지라면 이 논리 주소는 물리 주소 15100번지(100+15000)로 변환된다. 베이스 레지스터는 프로그램의 가장 작은 물리 주소, 즉 첫 물리 주소를 저장하는 셈이고, 논리 주소는 프로그램의 시작점으로부터 떨어진 거리인 셈이다.

메모리 보호 기법

프로그램의 논리 주소 영역을 벗어나 다른 프로그램의 물리 주소를 침범하지 않기 위해 한계 레지스터(limit register)라는 레지스터가 존재한다. 한계 레지스터는 논리 주소의 최대 크기를 저장한다. 즉, 프로그램의 물리 주소 범위는 아래와 같다.

베이스 레지스터 값 <= 물리 주소 범위 < 베이스 레지스터 + 한계 레지스터

CPU는 메모리에 접근하기 전에 접근하고자 하는 논리 주소가 한계 레지스터보다 작은지 항상 검사하고, 이를 벗어나려고 하면 인터럽트(트랩)을 발생시켜 실행을 중단한다.

저장 장치 계층 구조

저장 장치는 일반적으로 아래와 같은 명제를 따른다.

1. CPU와 가까운 저장 장치는 빠르고, 멀리 있는 저장 장치는 느리다.
2. 속도가 빠른 저장 장치는 저장 용량이 작고, 가격이 비싸다.

따라서 레지스터, 메모리, 보조기억장치 순으로 속도는 빠르며, 용량은 작고, 가격이 비싸다.

캐시 메모리(cache memory)는 CPU와 메모리 사이에 위치하고, 레지스터보다 용량이 크고 메모리보다 빠른 SRAM 기반의 저장 장치이다. CPU(코어)와 가까운 순서대로 계층을 구성하여 L1(Level 1) 캐시, L2(Level 2) 캐시, L3(Level 3) 캐시라고 부른다.

참조 지역성 원리

캐시 메모리는 CPU가 사용할 법한 대상을 예측하여 저장한다. 이때 예측이 들어맞아 캐시 메모리 내 데이터가 CPU에서 활용될 경우를 캐시 히트(cache hit)라고 한다. 예측이 틀리면 메모리에서 필요한 데이터를 가져와야하고 이를 캐시 미스(cache miss)라고 한다. 캐시가 히트되는 비율을 캐시 적중률(cache hit rate)라 하고 아래와 같이 계산한다.

캐시 히트 회수 / (캐시 히트 횟수 + 캐시 미스 횟수)

우리가 사용하는 컴퓨터의 캐시 적중률은 대략 85~95% 이상이다. 캐시 메모리는 한 가지 원칙에 따라 메모리로부터 가져올 데이터를 결정한다. 바로 참조 지역성의 원리(locality of reference, principle of localty)이다. 참조 지역성의 원리란 CPU가 메모리에 접근할 때의 주된 경향을 바탕으로 만들어진 원리이다.

1. CPU는 최근에 접근했던 메모리 공간에 다시 접근하려는 경향이 있다.
2. CPU는 접근한 메모리 공간 근처는 접근하려는 경향이 있다.

 

07 보조기억장치

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다양한 보조기억장치

이 부분도 하드웨어적인 부분이 많이 들어가고 교양 정도로만 알아도 될 것 같아 간략히 정리한다.

• 하드 디스크의 구성 요소에는 플래터, 스핀들, 헤드, 디스크 암이 있다.
• 플래터는 트랙과 섹터로 나뉘고, 여러 플래터의 동일한 트랙이 모여 실린더를 이룬다.
• 하드 디스크의 데이터 접근 시간은 크게 탐색 시간, 회전 지연, 전송 시간으로 나뉜다.
• 플래시 메모리는 한 셀에 몇 비트를 저장할 수 있느냐에 따라 SLC, MLC, TLC로 나뉜다.
• 플래시 메모리의 읽기와 쓰기는 페이지 단위로, 삭제는 블록 단위로 이루어진다.

RAID의 정의

RAID(Redundant Array of Independent Disks)는 주로 하드 디스크와 SSD를 사용하는 기술로, 데이터의 안전성 혹은 높은 성능을 위해 여러 개의 물리적 보조기억장치를 마치 하나의 논리적 보조기억장치처럼 사용하는 기술이다.

RAID의 종류

• RAID 0은 데이터를 단순히 병렬로 분산하여 저장하고, RAID 1은 완전한 복사본을 만든다.
• RAID 4는 패리티를 저장한 장치를 따로 두는 방식이고, RAID 5는 패리티를 분산하여 저장하는 바익이다.
• RAID 6은 서로 다른 두 개의 패리티를 두는 방식이다.

 

08 입출력 장치

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장치 컨트롤러

장치 컨트롤러(device controller)는 아래와 같은 역할을 통해 다양한 입출력장치에서 발생하는 정보 규격화 문제와 CPU / 메모리와의 전송률 괴리 문제를 해결한다.

• CPU와 입출력 장치 간의 통신 중개
• 오류 검출
• 데이터 버퍼링

장치 컨트롤러 내부는 크게 3가지로 분류한다.

• 데이터 레지스터(data register) : CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터로 데이터 버퍼 역할을 한다.
• 상태 레지스터(status register) : 입출력장치가 입출력 작업을 할 준비가 되었는지, 입출력 작업이 완료되었는지 오류가 없는지 등의 상태 정보가 저장된다.
• 제어 레지스터(control register) : 입출력장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령을 저장한다.

장치 드라이버

장치 드라이버(device driver)란 장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어함으로써 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램이다. 컴퓨터가 장치 드라이버를 인식하거나 실행할 수 없는 상태라면 그 장치는 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 없다. 장치 드라이버는 운영체제가 기본으로 제공하는 것도 있지만, 장치 제작자가 따로 제공하기도 한다. 이럴 경우 해당 드라이버를 직접 설치해야 입출력장치 사용이 가능하다.

다양한 입출력 방법

• 프로그램 입출력은 프로그램 속 명령어로 입출력 작업을 하는 방식이다.
• 메모리 맵 입출력은 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 입출력 방식이다.
• 고립형 입출력은 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 별도로 분리하는 입출력 방식이다.
• 인터럽트 기반 입출력은 인터럽트로써 입출력을 수행하는 방법이다.
• DMA 입출력은 CPU를 거치지 않고 메모리와 입출력장치 간의 데이터를 주고받는 입출력 방식이다.
• 입출력 버스는 입출력장치와 컴퓨터 내부를 연결 짓는 통로로, 입출력 작업 과정에서 시스템 버스 사용 횟수를 줄여준다.