[OS] 운영체제 공부 - 컴퓨터의 구조와 성능 향상(1)(CPU, 입출력 장치, 저장 장치, 메인보드, 폰노이만 구조, 산술논리 연산장치, 제어 장치, 레지스터)

학기중에 운영체제 수업을 들었지만 온라인이기도 했고, 이런저런 핑계로 제대로 학습하지 않아서 다시한번 공부하는 시간을 가져보려고한다.ㅠㅠ
혼자 공부하면서 그냥 노트에 적듯 작성한 것이고, 내가 보려고 쓰는거다!!🙂

컴퓨터의 기본 구성

하드웨어의 구성

• 필수장치: 중앙처리장치, 메인메모리
• 주변장치: 입력장치, 출력장치, 저장장치

필수장치: 중앙처리장치(CPU), 메인메모리(RAM, ROM)

주변장치: 입력장치, 출력장치, 저장장치

주변장치는 CPU가 직접 접근할 수 없음

앞으로의 용어는 다음과 같이 통일함

• 메인메모리 → 메모리
• 보조저장장치 → 저장장치
• 중앙처리장치 → CPU

CPU와 메모리

• CPU: 메모리를 해석하여 실행하는 장치로, 인간으로 치면 두뇌에 해당
• 메모리: 작업에 필요한 프로그램과 데이터를 저장하는 장소로, 바이트 단위로 분할되어 있으며 분할 공간마다 주소(address)로 구분

입출력장치

• 입력장치: 외부의 데이터를 컴퓨터에 입력하는 장치
• 출력장치: 컴퓨터에서 처리한 결과를 사용자가 원하는 형태로 출력하는 장치

저장장치

• 메모리보다 느리지만 저렴하고 용량이 큼
• 전원의 온,오프와 상관없이 데이터를 영구적으로 저장
  • 자성 이용: 카세트테이프, 플로피디스크, 하드디스크
  • 레이저 이용: CD, DVD, 블루레이디스크
  • 메모리 이용: USB 드라이버, SD카드, SSD

메인보드

• CPU와 메모리 등 다양한 부품을 연결하는 커다란 판
• 전력이 공급되면 버스(bus=명령어, 데이터가 이동하는)로 연결된 부품이 작동
• 그래픽카드, 사운드카드, 랜카드 등이 기본적으로 장치되어있기도 하고, 성능을 향상하기 위해 따로 장착하기도 함

폰노이만 구조(프로그램 내장 방식)

• CPU, 메모리, 입출력장치, 저장장치가 버스로 연결되어 있는 구조
• 하드웨어는 그대로 둔 채 작업을 위한 프로그램만 교체하여 메모리에 올리는 방식
• 모든 프로그램은 메모리에 올라와야 실행할 수 있다.

요리사 모형에 비유

• 요리사 = CPU

• 도마 = 메모리

• 보조 요리사, 주방 보조 = 입출력장치

• 보관 창고 = 저장장치

• 도마가 크면 재료를 모두 가져다놓고 요리할 수 있음, But 도마가 작으면 모두 가져올 수 없음

⇒ 메모리 크기가 작으면 작업 속도가 떨어짐

하드웨어 사양 관련 용어

• 클록: CPU의 속도와 관련된 단위 → 클록이 일정 간격으로 틱을 만들면 거기에 맞추어 CPU안의 모든 구성 부품이 작업
• 헤르츠(Hz): 클록 틱이 발생하는 속도를 나타내는 단위
  1초에 클록틱 1번 = 1Hz, 1000번이면 1kHz
  ex) 3.4GHz는 1초에 클록틱이 3,400,000,000번 발생한 것
• 시스템 버스: 메모리와 주변장치를 연결하는 버스로 FSB(Front-Side Bus) 즉, 전면 버스
• CPU 내부 버스: CPU 내부에 있는 장치를 연결하는 버스로 BSB(Back-Side Bus) 즉, 후면버스
• CPU와 메모리의 속도: CPU는 CPU 내부 버스의 속도로 작동하고 메모리는 시스템 버스의 속도로 작동

CPU와 메모리

CPU

• 명령어를 해석하여 실행하는 장치(산술논리 연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성)

산술논리 연산장치(ALU: Arithmetic and Logic Unit)

데이터의 산술 연산(덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈) 과 논리 연산(AND, OR) 을 수행

제어장치(Control Unit)

CPU에서 작업을 지시하는 부분

레지스터(Register)

데이터를 임시로 보관하는 곳

CPU는 필요한 데이터를 메모리에서 가져와 레지스터에 저장하고 산술논리 연산장치를 이용하여 연산을 한 후, 그 결과를 다시 레지스터에 저장했다가 메모리로 옮김

주요 레지스터 종류와 특징

<사용자 가시 레지스터(사용자가 접근할 수 있는)>

데이터 레지스터(DR, Data Register)

• 메모리에서 가져온 데이터를 임시로 보관할 때 사용
• CPU에 있는 대부분의 레지스터가 데이터 레지스터이기 때문에 일반 레지스터 또는 범용 레지스터라고 부름

주소 레지스터(AR, Address Register)

• 데이터 또는 명령어가 저장된 메모리의 주소를 저장

<사용자 불가시 레지스터(사용자가 접근할 수 없는, 오직 운영체제만 접근 가능한)>

프로그램 카운터(PC, Program Counter)

• 다음에 실행할 명령어의 주소를 기억하고 있다가 제어장치에게 알려줌
• 다음에 실행할 명령어의 주소를 가리키기 때문에 프로그램 카운터를 명령어 포인터라고도 함

명령어 레지스터(IR, Instruction Register)

• 현재 실행중인 명령어 저장
• 제어장치는 명령어 레지스터에 있는 명령을 해석한 후 외부 장치에 적절한 제어 신호를 보냄

메모리 주소 레지스터(MAR, Memory Address Register)

• 메모리에서 데이터를 가져오거나 반대로 메모리로 데이터를 보낼 때 주소를 지정하기 위해 사용
• 명령어를 처리하는 과정에서 필요한 메모리 주소를 해당 레지스터에 넣으면 메모리 관리자가 이를 인식하여 해당 메모리 위치의 데이터를 가져오거나 해당 메모리 위치에 데이터를 저장함

메모리 버퍼 레지스터(MBR, Memory Address Register)

• 메모리에서 가져온 데이터나 메모리로 옮겨갈 데이터를 임시로 저장
• 항상 메모리 주소 레지스터와 함께 동작

프로그램 상태 레지스터(Program Status Register)

• 플래그 같은 상태 정보를 저장
• 프로그램이 수행되는 순간 마다 프로그램의 수행 상태와 프로세서 상태를 나타냄