[운영체제] 컴퓨터의 요소

💡 본 글은 면접을 위한 CS 전공지식 노트 도서를 참고하여 정리하였습니다.

 

INTRO

컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다. 각각에 대해 자세히 알아보자.

 

 

CPU 

 

 

CPU(Central Processing Unit)는 컴퓨터에서 가장 핵심적인 역할을 수행하는 부분으로, 인간의 두뇌에 비유할 수 있다. 제어 장치, 레지스터, 연산 장치로 구성되어 있다.

 

인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼이다.

 

운영체제의 커널(관리자 역할)이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면, CPU(일꾼)가 이를 처리

 

제어 장치

제어 장치(CU, Control Unit)는 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 부품이다. 즉, 컴퓨터의 모든 동작을 제어하는 CPU의 핵심 부분이다. 제어장치의 역할은 다음과 같다.

• 프로세스 조작을 지시한다.
• 입출력장치 간 통신 제어한다.
• 명령어를 읽고 해석한다.
• 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.

 

💡 프로세스
프로세스(process)란 실행중에 있는 프로그램을 의미한다. 프 로세스는 운영체제에 의해 관리되며, 독립적으로 실행되고 자원을 할당 받을 수 있는 단위이다. 

 

레지스터

레지스터(Register)는 CPU 안에 있는 매우 빠른 임시 기억 장치이다. CPU와 직접 연결되어 있어서 연산 속도가 메모리에 비해 훨씬 빠르다 (수십 배 ~ 수백 배까지 빠름). CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 수 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.

 

산술 논리 연산 장치

산술 논리 연산 장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)는 두 숫자의 산술 연산(ex. 덧셈, 뺄셈 등)과 논리 연산(ex. 배타적 논리합, 논리곱)을 계산하는 디지털 회로이다.

 

 

CPU의 연산 처리

CPU의 연산 처리 방식은 다음과 같다.

1) 제어장치가 메모리와 레지스터에 계산할 값을 로드한다.

2) 제어장치가 산술논리연산장치에게 레지스터에 있는 값을 계산하라고 명령한다.

3) 제어장치가 계산된 값을 레지스터에서 메모리로 저장한다. (제어장치 -> 레지스터 -> 메모리)

 

인터럽트

인터럽트는 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말한다.

ex)
- IO 디바이스(ex. 키보드, 마우스 등)로 인한 인터럽트
- 0으로 솟자를나누는 산술연산에서의 인터럽트
- 프로세스 오류

 

구체적으로는 다음과 같다. CPU가 프로그램을 실행하고 있을 때, I/O 하드웨어 등의 장치에 예외 상황이 발생하여 처리가 필요한 경우가 생길 수 있다. 이때 현재 실행 중인 작업을 즉시 중단하고 발생한 상황에 대해 우선처리가 필요하다고 CPU에게 알리는 것이다.

 

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

 

인터럽트 간에는 우선순위가 있고, 그 우선순위에 따라 실행된다.

 

하드웨어 인터럽트

하드웨어 인터럽트는 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 말한다. (ex. 키보드 연결, 마우스 연결 등)

 

실행과정은 다음과 같다.

• 인터럽트 라인이 설계된 이후 순차적인 인터럽트 실행을 중지
• 운영체제에 시스템콜 요청
• 원하는 디바이스로 향함
• 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행

 

소프트웨어 인터럽트

소프트웨어 인터럽트는 trap(트랩)이라고도 한다. 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다. (ex. 프로세스 오류 등)

DMA 컨트롤러

DAM 컨트롤러는 I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치이다. CPU의 부하를 막아주고 CPU의 일을 부담하는 보조일꾼이며다. 또한, 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다.

 

메모리

전자회로에서 데이터 or 상태 or 명령어 등을 기록하는 장치이다. RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고도 한다.

 

CPU : 계산 담당, 메모리 : 기억 담당

 

공장에 비유할 수 있다. CPU가 일꾼, 메모리가 작업장, 작업장의 크기가 메모리의 크기와 같다. 이때, 작업장의 크기가 클수록 일꾼들이 많은 일을 할 수 있듯이, 메모리가 클수록 CPU가 많은 일을 동시에 할 수 있다.

 

타이머

특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할을 한다. 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재한다.

 

디바이스 컨트롤러

컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU이다.

 

로컬 버퍼

• 디바이스 컨트롤러 옆에 붙어 있는 것
• 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리