[CS] 운영체제 - 컴퓨터의 요소와 시스템 버스

Janet·2023년 8월 4일

CS 운영체제

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📌 컴퓨터의 요소

컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다.

1. CPU(Central Processing Unit)

CPU는 제어장치, 레지스터, 산술논리연산장치로 구성되어 있는 컴퓨터 장치를 말한다.
인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 역할을 한다.
운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 CPU가 이를 처리한다.

1-1. CPU의 구성 요소

CPU의 구성 요소에는 제어장치(CU), 레지스터, 산술논리연산장치(ALU)가 있다. 그리고 이 구성 요소들을 연결하는 내부 버스가 있다.

1-1-1. 제어장치(CU, Control Unit)
제어장치는(CU)는 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품이다.
입출력장치 간의 통신을 제어하고 명령어들을 해석하여 데이터 처리 순서를 결정한다.

1-1-2. 레지스터(Register)
레지스터는 CPU 안에 있는 연산 속도가 매우 빠른 임시기억장치를 말한다.
CPU와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 수십~수백 배까지 빠르다.
CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.

1-1-3. 산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)
산술논리연산장치(ALU)는 덧셈, 뺄셈과 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로이다.

1-2. CPU의 연산 처리

제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드하고 레지스터에도 전달하여 로드한다.
제어장치가 명령어(연산 코드)를 해석하여 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령한다.
제어장치가 산술논리연산장치에 의해 계산된 값을 레지스터에서 메모리로 전송하여 기록한다.

1-3. 인터럽트(Interrupt)

인터럽트는 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말한다.

인터럽트가 발생하는 경우를 간략히 설명하자면,

I/O 디바이스(키보드, 마우스 등)로 인한 인터럽트
0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트
프로세스 오류 등으로 인한 인터럽트 등..

인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행된다.

인터럽트 핸들러 함수: 인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수이다. 커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며 request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있다.

1-3-2. 인터럽트의 처리 과정
1. 기존의 작업을 처리하던 도중, 인터럽트가 발생하면
2. 현재 컴퓨터가 처리하는 일을 중지하고 현재의 컴퓨터의 상태(CPU 내부의 레지스터, 메인 메모리 내용 등을)를 저장한다.
3. 해당하는 인터럽트를 처리해주기 위한 인터럽트 서비스 루틴을 처리한다.
4. 인터럽트 처리 이후 저장되었던 이전 작업의 상태를 복구하고 이전 작업 수행을 재개한다.

1-3-3. 인터럽트 우선 순위
인터럽트가 한 개씩만 실행되면 참 좋겠지만 여러 인터럽트가 동시에 발생하는 경우는 많이 존재한다.
이 때 한 개의 CPU인 상황이라면 동시에 여러 개의 인터럽트가 발생한다면 우선 순위를 정해서 순차적으로 처리해야 한다. 이를 인터럽트 우선 순위라 하고 이런 우선 순위는 아래와 같이 중요하고 심각한 인터럽트가 우선적으로 처리되어야 한다.

전원 공급의 이상
CPU의 기계적인 오류
외부 신호에 의한 인터럽트
입출력 전송 요청 및 전송 완료, 전송 오류
프로그램 검사 인터럽트
수퍼바이저 호출(SVC 인터럽트)

1-3-4. 인터럽트의 구분
1) 하드웨어 인터럽트

하드웨어 인터럽트는 키보드나 마우스와 같이 I/O 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 말한다.
이때 인터럽트 라인이 설계된 이후 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고, 운영체제에 시스템콜을 요청하여 원하는 디바이스로 향해 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행한다.
하드웨어 인터럽트가 발생하는 사례
1. 기계검사 인터럽트: 프로그램을 실행하는 도중 갑작스런 정전이나 컴퓨터 자체 내에서 기계적인 문제가 발생한 경우
2. 외부 인터럽트: 오퍼레이터나 타이머에 의해 의도적으로 프로그램이 중단된 경우
3. 입출력 인터럽트: 입출력의 종료나 입출력의 오류에 의해 CPU의 기능이 요청되는 경우
4. 프로그램검사 인터럽트: 프로그램 실행 중 보호된 기억공간 내에 접근하거나 불법적인 명령 수행과 같은 프로그램의 문제가 발생한 경우

2) 소프트웨어 인터럽트

소프트웨어 인터럽트는 트랩(trap)이라고도 한다. 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다.
소프트웨어 인터럽트가 발생하는 사례
1. 존재하지 않는 메모리 주소에 접근
2. 나눗셈에서 0으로 나누고자 하는 경우

2. DMA 컨트롤러 (Direct Memory Access Controller)

DMA 컨트롤러는 I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치이다.

CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 장치이다. 또한 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다.

위키백과에서 정의하는 DMA

직접 메모리 접근(DMA)은 특정 하드웨어 하위 시스템이 CPU와 독립적으로 메인 시스템 메모리에 접근할 수 있게 해주는 컴퓨터 시스템의 기능이다.
주변장치의 데이터는 장치 컨트롤러에 의해 로컬 버퍼로 이동한다. 그러나 전송할 데이터가 많은 경우, 많은 양의 데이터의 이동으로 인한 부담이 커지는데 이러한 문제를 해결하기 위해 DMA를 이용한다. 장치 컨트롤러가 데이터의 한 블록을 이동시키는데 이 과정에서 DMA로 인해 CPU의 개입이 필요없게 된다. CPU에서는 데이터 이동이 완료되었다는 단 한 번의 인터럽트만 발생한다. 데이터가 전송되는 동안 CPU는 다른 작업을 수행할 수 있게 되어 효율성이 높아진다.
디스크 드라이브 컨트롤러, 그래픽 카드, 네트워크 카드, 사운드 카드를 포함한 많은 하드웨어 시스템이 DMA를 사용한다. DMA는 멀티 코어 프로세서의 칩 내부 데이터 전송에도 쓰인다. DMA는 메모리 간 복사 또는 데이터 이동에도 쓰일 수 있다.

3. 메모리 (Memory)

메모리는 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치이다.
보통 RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고도 한다.
CPU는 계산을 담당하고, 메모리는 기억을 담당한다.
공장에 비유하자면 CPU = 일꾼, 메모리 = 작업장이며, 작업장의 크기가 곧 메모리의 크기이다. 작업장이 클수록 창고에서 물건을 많이 가져다놓고 많은 일을 할 수 있듯이 메모리가 크면 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있다.

4. 타이머 (Timer)

타이머는 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 거는 역할을 한다.
시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재한다.

5. 디바이스 컨트롤러 (Device Controller)

디바이스 컨트롤러는 컴퓨터와 연결되어 있는 I/O 디바이스들의 작은 CPU를 말한다.
옆에 붙어 있는 로컬 버퍼(local buffer)는 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리를 뜻한다.

📌 시스템 버스

시스템 버스의 개념

컴퓨터의 구성 요소들 간에 커넥터와 케이블로 연결하여 데이터 전송을 위한 통로이다.
컴퓨터 시스템의 주요 부품 사이에서 데이터와 제어 시그널을 위한 통신을 제공하는 통신 시스템이다.
버스 선의 수는 버스 폭이라고 하며, 한 번에 전송하는 데이터 비트들의 수를 나타낸다.
버스의 대역폭이란 버스의 속도를 나타내는 척도로, 한 번에 전달할 수 있는 데이터의 최대 크기를 말한다.
시스템 버스를 기능별로 구분하자면, 어드레스 버스, 제어 버스, 데이터 버스 3가지이다.

시스템 버스의 기능별 구분

주소 버스(Address Bus)
- 데이터의 근원지나 목적지의 메모리 주소를 전달하는 선들의 집합으로, 전송할 데이터가 메모리 어디에 위치해 있는지를 특정한다.
- CPU에서 기억장치 및 입출력 제어기로의 단방향 전송만이 존재한다.
- 주소 버스의 비트 수는 기억장치의 주소 수를 결정한다.
- 주소 버스의 width가 메모리의 수용 능력 및 크기를 결정한다.
제어 버스(Control Bus)
- CPU 제어장치와 연결된 버스로 데이터 버스와 주소 버스를 제어하기 위해 사용되어 진다.
데이터 버스(Data Bus)
- 시스템 요소 간에 데이터 전송에 사용되는 선들의 집합이다.
- 연결된 장치 간에 양방향 전송의 특징을 가진다.