📌 컴퓨터 아키텍처와 운영체제(OS): 컴퓨터 내부 원리부터 시스템 관리까지 💻

🔖 컴퓨터 아키텍처란?

컴퓨터 아키텍처는 컴퓨터의 구성 요소와 설계 원리를 의미합니다. 하드웨어와 소프트웨어가 상호작용하는 방법을 정의하며, 성능, 효율성, 비용 등 다양한 요소를 고려합니다.

📌 주요 구성 요소

• CPU (중앙 처리 장치)
  컴퓨터의 두뇌 역할을 하며, 명령어를 실행하여 데이터를 처리합니다.

  • 구성요소: 산술논리장치(ALU), 제어장치(CU), 레지스터(Register)

• 메모리(Memory)
  데이터를 저장하는 공간입니다.

  • RAM(휘발성 메모리), ROM(비휘발성 메모리)

• 입출력 장치(I/O Device)
  사용자나 다른 시스템과 데이터를 주고받는 장치입니다.

  • 키보드, 마우스, 디스플레이, 저장장치 등

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⚙️ 폰 노이만 아키텍처(Von Neumann Architecture)

대부분의 현대 컴퓨터는 폰 노이만 아키텍처를 기반으로 설계되었습니다.

📌 주요 개념

• 메모리에 명령어와 데이터를 함께 저장합니다.
• CPU는 메모리에서 명령어를 순차적으로 가져와서 처리합니다.

📌 한계점

• 폰 노이만 병목현상(Von Neumann Bottleneck): CPU와 메모리 간 데이터 전송 속도의 제한으로 인한 성능 저하 문제.

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🖥️ CPU 동작 원리

CPU는 주어진 명령어를 다음과 같은 사이클로 처리합니다.

📌 Fetch-Decode-Execute 사이클

• Fetch(가져오기): 메모리에서 명령어를 읽어옵니다.
• Decode(해석하기): 가져온 명령어를 해석하여 수행할 작업을 결정합니다.
• Execute(실행하기): 실제로 명령어를 실행하여 데이터를 처리합니다.

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📏 메모리 계층 구조(Memory Hierarchy)

성능과 비용의 균형을 맞추기 위해 메모리는 계층 구조로 구성되어 있습니다.

• 레지스터(Register): CPU 내부에서 매우 빠르게 접근 가능한 소형 메모리입니다.
• 캐시(Cache): CPU 가까이에 위치하며 자주 사용하는 데이터를 저장하여 속도를 높입니다.
• 주기억장치(Main Memory, RAM): 실행 중인 프로그램과 데이터를 저장합니다.
• 보조기억장치(Secondary Storage): 대용량의 데이터를 영구적으로 저장합니다(HDD, SSD 등).

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🌐 운영체제(OS)란?

운영체제(Operating System)는 컴퓨터의 자원을 관리하고 사용자에게 인터페이스를 제공하는 핵심 소프트웨어입니다.

📌 OS의 주요 역할

• 자원 관리(CPU, 메모리, 디스크 등)
• 프로세스 관리 및 스케줄링
• 파일 시스템 관리
• 사용자 인터페이스 제공(GUI, CLI)

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⚡ 프로세스와 스레드(Process & Thread)

📌 프로세스(Process)

• 실행 중인 프로그램의 인스턴스입니다.
• 독립적인 메모리 공간과 자원을 가집니다.

📌 스레드(Thread)

• 프로세스 내에서 실행되는 작업 단위입니다.
• 프로세스 자원을 공유하며 병렬적으로 작업을 수행할 수 있습니다.

📌 멀티스레딩(Multithreading)

• 여러 스레드를 동시에 실행하여 성능을 높이는 기법입니다.

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🗃️ CPU 스케줄링(CPU Scheduling)

CPU 스케줄링은 어떤 프로세스를 먼저 실행할지 결정하는 메커니즘입니다.

📌 주요 스케줄링 알고리즘

• FCFS (First Come, First Served): 먼저 도착한 순서대로 처리합니다.
• SJF (Shortest Job First): 실행 시간이 가장 짧은 프로세스를 먼저 처리합니다.
• 라운드 로빈(Round Robin): 정해진 시간(타임 슬라이스) 동안 각 프로세스를 차례로 실행합니다.
• 우선순위 스케줄링(Priority Scheduling): 우선순위가 높은 작업부터 실행합니다.

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🔐 메모리 관리 기법

효율적인 메모리 사용을 위해 OS는 다양한 관리 기법을 활용합니다.

📌 주요 메모리 관리 방법

• 페이징(Paging): 메모리를 고정 크기의 페이지로 나누어 관리합니다.
• 세그먼테이션(Segmentation): 메모리를 논리적인 단위로 분할하여 관리합니다.
• 가상 메모리(Virtual Memory): 실제 메모리보다 큰 프로그램을 실행할 수 있도록 지원하는 기술입니다.

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📁 파일 시스템(File System)

파일 시스템은 데이터를 효율적으로 저장하고 관리하기 위한 구조입니다.

📌 주요 파일 시스템 유형

• FAT32, NTFS(Windows)
• ext4(Linux)
• APFS(macOS)

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🚦 운영체제의 종류와 특징

📌 주요 OS 종류

• Windows: 가장 널리 사용되는 데스크탑 운영체제, GUI 환경 중심
• Linux: 오픈 소스 기반 운영체제, 서버 및 개발 환경에서 많이 사용
• macOS: Apple의 OS로 Unix 기반이며 직관적 인터페이스 제공
• Android/iOS: 모바일 장치 전용 OS로 최적화된 인터페이스 제공

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🔧 가상화(Virtualization)와 컨테이너(Container)

가상화 기술은 단일 하드웨어에서 여러 운영체제를 실행할 수 있도록 지원합니다.

📌 주요 기술

• 가상 머신(VM): 독립적인 OS를 가상 환경에 설치하여 실행하는 기술입니다. (예: VMware, VirtualBox)
• 컨테이너(Container): OS 커널을 공유하여 빠르고 가벼운 격리 환경을 제공합니다. (예: Docker, Kubernetes)

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✏️ 마무리 및 학습 방향

컴퓨터 아키텍처와 운영체제를 이해하는 것은 프로그래밍과 시스템 관리를 위한 필수적인 과정입니다. 이를 바탕으로 시스템을 효율적으로 운영하고, 성능 문제를 진단하며, 더 나은 소프트웨어를 개발할 수 있게 됩니다.

다음 장에서는 컴퓨터 네트워크와 소프트웨어 공학에 대해 학습하겠습니다. 우리가 작성한 프로그램이 네트워크 환경에서 어떻게 동작하는지 이해하고, 소프트웨어 개발 방법론을 깊게 살펴보겠습니다.

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📖 본 글은 컴퓨터 아키텍처와 운영체제를 처음 접하는 분들이 핵심 개념을 깊이 이해하고, 실무 활용 능력을 기를 수 있도록 구성되었습니다. 다음 장에서 계속됩니다!