운영체제 2주차 정리 - 2

컴퓨터 시스템 구조 - 메모리 및 성능향상 기법

메모리의 종류

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메모리의 종류

휘발성 메모리

DRAM(Dynamic RAM)

• 저장된 0과 1의 데이터가 일정 시간이 지나면 사라지므로 일정 시간마다 다시 재생시켜야 함

 

SRAM(Static RAM)

• 전력이 공급되는 동안에는 데이터를 보관할 수 있어 재생할 필요가 없음

 

SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)

• 클록틱(펄스)이 발생할 때마다 데이터를 저장하는 동기식 DRAM

 

비휘발성 메모리

플래시 메모리(Flash Memory)

 

• SD 카드, USB 드라이브같이 전력이 없어도 데이터를 보관할 수 있는 저장장치

• SSD(Solid State Drive)

– 빠른 데이터 접근 속도, 저전력, 내구성이 HDD보다 좋음

롬(ROM)의 종류

마스크 롬(Mask ROM)

• 데이터를 지우거나 쓸 수 없음

 

PROM(Programmable ROM)

• 전용 기계를 이용하여 데이터를 한 번만 저장할 수 있음

 

EPROM(Erasable Programmable ROM)

• 데이터를 여러 번 쓰고 지울 수 있음

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메모리 보호

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메모리 보호의 필요성

현대의 운영체제는 시분할 기법을 사용하여 여러 프로그램을 동시에 실행

 

사용자(응용프로그램) 영역이 여러 개의 작업 공간으로 나뉨

 

메모리가 보호되지 않으면 다른 작업의 영역을 침범

• 오류 발생(정상동작 불가)

• 프로그램을 파괴하거나 데이터를 지울 수 있음

• 최악의 경우 운영체제 영역을 침범하여 시스템 마비도 가능

메모리 보호 방법

① 작업의 메모리 시작 주소를 경계 레지스터에 저장 후 작업

 

② 작업이 차지하고 있는 메모리의 크기, 즉 마지막 주소까지의 차이를 한계 레지스터에 저장

 

③ 사용자의 작업이 진행되는 동안 이 두 레지스터의 주소 범위를 벗어나는 지 하드웨어적으로 점검

 

④ 두 레지스터의 값을 벗어 나면 메모리 오류와 관련된 인터럽트가 발생

 

⑤ 메모리 영역을 벗어나서 발생한 인터럽트의 경우 운영체제가 해당 프로 그램을 강제 종료

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부팅

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부팅

컴퓨터에 전원을 인가

 

운영체제를 메모리에 적재(Loading)

 

운영체제의 초기화 수행

• 하드웨어 점검

• 각종 운영체제 모듈의 기능 구성

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성능 향상 기법

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버퍼(Buffer)

- 속도에 차이가 있는 두 장치 사이에서 그 차이를 완화하는 역할을 하는 장치

- 일정량의 데이터를 모아 옮김으로써 속도의 차이를 완화

스풀(Spool)

- CPU와 입출력장치가 독립적으로 동작하도록 고안된 소프트웨어적인 버퍼

 

[예] 프린트 스풀러

• 인쇄할 내용을 순차적으로 출력하는 소프트웨어로 출력 명령을 내린 프로그램과 독립적으로 동작

• 인쇄물이 완료될 때까지 다른 인쇄물이 끼어들 수 없으므로 프로그램 간에 배타적임

캐시(Cache)

메모리와 CPU 간의 속도 차이를 완화하기 위해 메모리의 데이터를 미리 가져와 저장해두는 임시 장소

• CPU와 주메모리 간 운영 클록(base clock)도 다름: BSB vs FSB

 

필요한 데이터를 모아 한꺼번에 전달하는 버퍼의 일종으로 CPU가 앞으로 사용할 것으로 예상되는 데이터를 미리 가져다 놓음

 

CPU가 특정 메모리 주소에 접근할 때, 캐시에 해당 데이터가 있으면 그 데이터가 바로 사용됨

캐시 히트(Cache Hit)*

• 캐시에 원하는 데이터를 찾음

• 그 데이터를 바로 사용

 

캐시 미스(Cache Miss)*

• 원하는 데이터가 캐시에 없을 때

• 메모리로 가서 데이터를 갖고 옴

 

캐시 적중률(Cache Hit Ratio)*

• 캐시 히트가 되는 비율

• 캐시 적중률이 높을 수록 더 빠른 처리가 가능

즉시 쓰기(Write Through)

 

• 캐시의 데이터가 변경되면 이를 즉시 메모리에 반영

• 메모리와의 빈번한 데이터 전송 = 성능 저하 발생

• 메모리에 최신 값이 유지되는 장점

 

지연 쓰기(Write Back)

 

• 주기적으로 변경된 내용을 메모리에 반영

• 카피백(Copy Back)이라고도 함

• 메모리와의 데이터 전송 횟수가 줄어들어 시스템의 성능이 향상됨

• 메모리와 캐시 데이터 사이의 데이터 불일치 가능성 존재

 

L1 캐시와 L2캐시

 

• 일반 캐시

– 명령어와 데이터의 구분 없이 모든 자료를 가져옴

– 메모리와 연결되기 때문에 L2(Level 2) 캐시라고 부름

 

• 특수 캐시

– 명령어와 데이터를 구분하여 가져옴

– CPU 레지스터에 직접 연결되기 때문에 L1(Level 1) 캐시라고 부름

저장장치의 계층 구조

개념

 

• 용량이 작고 빠른 저장장치를 CPU 가까운 쪽에 배치

• 용량이 크고 느린 저장장치를 반대쪽에 배치

• 효율적인 가격에 적당한 속도와 용량을 동시에 얻는 방법

 

이점

 

• CPU와 가까운 쪽에 레지스터나 캐시를 배치 = CPU가 작업을 빨리 진행

• 메모리에서 작업한 내용을 하드디스크와 같이 저렴하고 용량이 큰 저장장치에 영구적으로 저장할 수 있음

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인터럽트

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폴링 방식(Polling)

CPU가 직접 입출력장치에서 데이터를 가져오거나 내보내는 방식

CPU가 입출력장치의 상태를 주기적으로 검사
• 일정한 조건을 만족할 때 데이터를 처리
• 반복적인 모니터링 작업으로 인해 작업 효율이 떨어짐

인터럽트 방식(Interrupt)

입출력 관리자가 대신 입출력을 해주는 방식

CPU의 작업과 저장장치의 데이터 이동을 독립적으로 운영
• 시스템의 효율을 높임

 

데이터의 입출력이 이루어지는 동안 CPU가 다른 작업을 할 수 있음

인터럽트
- 입출력 관리자가 CPU에 보내는 이벤트 신호

 

인터럽트 번호
- 많은 주변장치 중 어떤 것에 이벤트가 발생되었는지를 CPU에 알려주기 위해 사용하는 번호
- 윈도우 운영체제에서는 IRQ라 부름

 

인터럽트 벡터
- 여러 개의 입출력 작업을 한꺼번에 처리하기 위해 여러 개의 인터럽트를 하나의 배열로 만든 것

 

인터럽트 방식의 동작 과정

① CPU가 입출력 관리자에게 입출력 명령을 보낸다.

② 입출력 관리자는 명령받은 데이터를 메모리에 가져다 놓거나 메모리에 있는 데이터를 저장장치로 옮긴다. 

③ 데이터 전송이 완료되면 입출력 관리자는 완료 신호를 CPU에 보낸다.

직접 메모리 접근(DMA: Direct Memory Access)

- 입출력 관리자가 CPU의 허락 없이 메모리에 접근할 수 있는 권한
- 메모리는 CPU의 작업 공간이지만, 데이터 전송을 지시받은 입출력 관리자는 직접 메모리 접근권한이 있어야만 작업을 처리할 수 있음

메모리 매핑 입출력(MMIO: Memory Mapped I/O)

 메모리의 일정 공간을 입출력에 할당하는 기법

사이클 훔치기

- CPU와 직접 메모리 접근(DMA)이 동시에 메모리에 접근하면  CPU가 양보함
- CPU의 작업 속도보다 입출력장치의 속도가 느리기 때문에 직접 메모리 접근에
양보하는 것 = 이러한 상황 : 사이클 훔치기(Cycle Stealing)