운영체제 2주차 정리 - 1

컴퓨터 시스템 구조 - 기본 구성

하드웨어의 구성

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컴퓨터의 구성

필수 장치

• 컴퓨팅(연산 및 처리)를 위한 필수 장치들

• 중앙처리장치(CPU), 주 메모리(대부분의 작업이 이루어 짐) 

 

주변장치

• 사용자와 대화를 위한 장치 및 데이터 저장을 위한 장치들

• 입력장치, 출력장치, 저장장치

용어

- 중앙처리장치 = CPU, 주 프로세서(Main Processor)

- 주 메모리 = 메인 메모리(Main Memory) 또는 메모리

- 보조저장장치 = 저장장치 또는 데이터 스토리지

 

CPU와 주 메모리

CPU(Central Process Unit)

• 명령어를 해석하여 실행하는 장치

• 각종 연산을 수행

 

주 메모리(Main Memory)

• 작업에 필요한 프로그램과 데이터를 저장하는 장소

• 데이터의 접근 단위 : 워드(Word)

입·출력장치

입력장치

• 외부의 데이터를 컴퓨터에 입력하는 장치

• 예: 키보드, 마우스, 마이크, 스캐너 등

 

출력장치

• 처리 결과를 사용자가 원하는 형태로 출력하는 장치

• 예: 모니터, 스피커, 프린터 등

저장장치(디스크)

메모리보다 느리지만 저렴하고 용량이 큼

전원의 온·오프와 상관없이 데이터를 영구적으로 저장

느린 저장장치를 사용하는 이유 : 저장 용량에 비해 가격이 저렴

 

종류

• 자성(magnetic)을 이용하는 장치 : 카세트테이프, 플로피디스크, 하드디스크 등

• 레이저를 이용하는 장치 : CD, DVD, 블루레이디스크 등

• 메모리를 이용하는 장치 : USB 드라이브, SD 카드, SSD 등

메인보드(Main Board)

동일어: 마더보드(Mother Board)

CPU와 메모리 등 다양한 부품을 연결하는 커다란 판

다양한 장치들을 버스(bus)로 연결 - 버스는 데이터가 지나다니는 통로

그래픽카드, 사운드카드, 랜카드 등의 기능이 기본으로 탑재되거나, 별도 장착(daughter board)이 가능

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시스템 아키텍처

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대표적인 종류

- 폰노이만 아키텍처

- 하버드 아키텍처

 

폰노이만 아키텍처

- Johann Ludwig Von-Neumann(1903.12~1957.02, 헝가리 출생)

- EDSAC(1949) 컴퓨터 개발 때 개념을 적용

- CPU, 메모리, 입출력 장치, 저장장치가 하나의 버스로 연결되어 있는 구조

- 명령어와 데이터를 위한 메모리 인터페이스가 하나임

- 명령어를 읽을 때 데이터를 읽거나 쓸 수 없음

- IBM 계열 PC(개인용 PC), ARM7 등

- 프로그램은 하드디스크와 같은 외부 저장 장치에 기록

- 프로그램의 구동을 위해서는 기록된 데이터를 주 메모리(RAM)로 읽어와야 함

- 메모리의 효율적인 접근에 따라 시스템의 성능에 큰 영향을 미침

하버드 아키텍처

- 1944년 하버드 마크I(Harvard Mark I)을 개발할 때 설계 및 적용

- 명령어를 위한 메모리 인터페이스와 데이터를 위한 메모리 인터페이스가 분리되어 있음

- 버스 시스템이 복잡하여 설계가 복잡함(단가 상승)

- ARM9, ARM10, XScale 등

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하드웨어 사양 관련 용어

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클록(Clock)

- CPU의 속도와 관련된 단위

- 클록이 일정 간격으로 틱(tick)을 만들면 거기에 맞추어 CPU안의 모든 구성 부품이 작업을 수행함

- 틱(Tick) = 펄스(Pulse) = 클록 틱(Clock Tick)

 

헤르츠(Hz)

클록틱이 발생하는 속도를 나타내는 단위

• 1초에 클록틱이 한 번이면 1Hz,

• 1,000번이면 1kHz(1,000Hz)

• 3.4GHz는 1초에 틱이 3.4×109번 발생(34억)

시스템 버스

- 메모리와 주변장치를 연결하는 버스

- FSB(Front-Side Bus, 전면 버스)라고 함

 

CPU 내부 버스

- CPU 내부에 있는 버스(CPU 내 구성 요소 간 연결)

- BSB(Back-Side Bus, 후면 버스)라고 함

 

CPU와 메모리의 속도

- CPU는 CPU 내부 버스(BSB)의 속도로 작동

- 메모리는 시스템 버스(FSB)의 속도로 작동

- 두 버스의 속도 차이로 인하여 작업이 지연될 수 있음 - 캐쉬(cache)로 해결

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CPU의 구성과 동작

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산술논리 연산장치(ALU: Arithmetic Logic Unit)

- 데이터의 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 같은 산술 연산과 AND, OR 같은 논리 연산을 수행

 

제어장치(Control Unit) 

- CPU에 작업을 지시

 

레지스터(Register)

- CPU 내에 데이터를 임시로 보관

 

버스(Bus)

- CPU내 구성요소들과의 데이터 전달을 위한 통로

CPU의 명령어 처리 과정*

int D2=2, D3=3, sum; sum=D2+D3;

 

- 위 코드를 어셈블리어로 바꾸면 다음과 같음

- 01행 : 메모리 100번지(D2)에 있는 값을 레지스터 2로 가져옴

- 02행 : 메모리 120번지(D3)에 있는 값을 레지스터 3으로 가져옴

- 03행 : 레지스터 2와 3에 저장된 값을 더한 결과를 레지스터 5에 저장

- 04행 : 레지스터 5의 값을 메모리 160번지(sum)에 저장

버스의 종류*

버스의 대역폭

한 번에 전달할 수 있는 데이터의 최대 크기

 

CPU가 한 번에 처리할 수 있는 데이터의 크기와 같음

 

CPU는 워드(word)단위로 데이터를 처리

• 예: 32bit CPU

– 메모리에서 데이터를 읽거나 쓸 때 한 번에 최대 32bit 처리

– 레지스터의 크기 : 32bit

– 버스의 대역폭 : 32bit

 

일반적으로 버스의 대역폭, 레지스터의 크기, 메모리에 한 번에 저장할 수 있는 데이터의 크기는 동일하게 설계