[운영체제] Overview

컴퓨터 시스템의 기본 구성요소

• 처리기 (Processor): 중앙처리장치(CPU)
• 주기억장치 (Memory): 휘발성 메모리, 셧다운 시 메모리 내용이 사라짐
• 입출력 모듈 (I/O module): 컴퓨터와 외부 환경 간 데이터 전송
• 버스 (Bus): 처리기, 메모리, 입출력 모듈 간의 데이터 전송을 위한 통로

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프로세서 (Processor)

• 산술/논리 장치 (ALU, Arithmetic/Logic Unit): 수학적 계산과 논리적 비교를 수행하는 장치
• 중앙 처리 장치 (CPU): 프로그램 명령어를 실행하는 주요 하드웨어
  • ALU
  • 제어 장치 (Control Unit)
  • 레지스터 (Register)
• 멀티프로세서 (Multiprocessors): 여러 개의 프로세서를 사용하여 성능을 향상시킨 시스템
• 그래픽 처리 장치 (GPU): 대규모 병렬 계산을 수행하는 하드웨어, 주로 그래픽 처리에 사용되지만 AI 계산에도 활용됨
• SoC (System on a Chip): 하나의 칩에 여러 기능을 집약시킨 시스템, 스마트폰 등에서 사용됨

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프로세서의 진화

• 폰 노이만 건축 (Von Neumann Architecture):
  • 개념: 1945년 폰 노이만이 제안한 컴퓨터 아키텍처
  • 특징: 데이터와 명령어가 같은 메모리에 저장됨. 명령어를 가져와서 실행하는 구조
  • 문제점: 명령어와 데이터가 동일한 버스를 사용하기 때문에, 명령어 가져오기와 데이터 처리 작업이 동시에 발생할 수 없다는 "폰 노이만 보틀넥" 문제 발생
• AI 애플리케이션의 당면 과제:
  • 폰 노이만 보틀넥: 데이터 전송 속도가 성능에 큰 제약을 준다는 문제
  • 새로운 패러다임: 뉴로모픽 건축(Neuromorphic Architecture) - 인간 뇌의 구조와 동작을 모방한 컴퓨터 아키텍처로, 더 빠르고 효율적인 데이터 처리가 가능

 

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메모리

• 휘발성(volatile) 메모리: 전원이 꺼지면 지워짐
  • 정적 램(SRAM)→ 캐시셀이 고속(~2nsec 액세스 시간)을 나타내며, 새로 고침 필요 X
  • 저밀도(트랜지스터/비트 6개), 고가
  • 동적 램(DRAM) → 메인 메모리SRAM보다 느림(액세스 시간 ~ 15nsec), 동적 새로 고침 필요
  • 고밀도(트랜지스터/비트 1개)

• 비휘발성(non-volatile) 메모리: 전원이 꺼져도 지워지지 않음.
  • = 플래시 메모리(Flash memory)
    1. 비대칭적인 읽고 쓰기: 읽기 속도(20us) < 쓰기 속도(200us)
    2. 인플레이스 업데이트 불가: 페이지는 해당 페이지가 속한 전체 블록을 지운 후에만 작성 가능
    3. 내구성 제한: 블록 100,000번 이상 사용 불가
  • Hard Disk Drive(HDD)
  • 자기 저장 매체
  • Solid State Disk (SSD)
  • 보조 기억 장치, 플래시 변환 계층(FTL)
  • 속도 비교
   

프로세서 레지스터

• 범용 목적 레지스터
• 레지스터 사용 최적화 → 메모리 참조 최소화
• 특수 목적 레지스터
  • 프로그램 카운터(=PC)
  • 반입할(fetched) 명령의 주소 포함
  • 명령어 레지스터(=IR)
  • 가장 최근에 반입한 명령 포함
  • 프로그램 상태 단어(=PSW)ex. 상태 코드, 인터럽트 마스크, 권한 수준 등
    • 상태 코드(Condition code)(OF: 오버플로 플래그, ZF: 제로 플래그)
    • 최신 산술 또는 논리 연산에 의해 자동으로 업데이트
  • CPU의 현재 상태 포함(플래그 집합)
  • 메모리 주소 레지스터(=MAR)
  • 입출력을 위해 메모리에서 반입할 현재 명령의 주소 보유
  • 메모리 버퍼 레지스터(=MBR, MDR)
  • MAR에 보관된 주소에서 찾은 내용을 보관

명령어 집합 구조 (ISA)

소프트웨어와 하드웨어 사이의 인터페이스 정의

기계 상태 = 레지스터 + 메모리

ex. x86, x86-64, IA64, ARM

• 참고: 

• 명령어 형식
  • 연산코드(Opcode)
  • 수행할 작업 지정 ex. 4비트 → 16가지 명령어 표현 가능
  • 피연산자(Operands)
  • 입력/출력 데이터 및 해당 주소 지정

• 명령어 반입(Instruction Fetch)

  

  1. 프로세서: 메모리에서 명령 반입(fetch)
  2. 프로그램 카운터(PC): 다음에 반입할 명령의 주소 유지
  3. 반입한 명령이 명령어 레지스터(IR)에 로드
• 프로그램: 처리기에 의해 수행, 메모리에 저장된 명령어들의 집합
• 명령어 사이클
  • 1. 메모리에서 명령어 반입
    2. 명령어 해석
    3. 명령어 수행(필요하다면 다른 연산코드 가져오기)
    4. 결과 저장
    5. 다음 과정으로 넘어가서 반복명령어 작업 범주
  
• 프로그램 수행 예시
  1. PC에 첫 번째 명령어의 주소인 300 들어있음.
  2. IR 내 첫 번째 4비트는 메모리에 저장된 값이 AC에 적재될 것을 나타낸다. 나머지 12비트(3개의 16진수)는 그 주소 940을 명시한다.
  3. 다음 명령어(5941)가 주소 301로부터 반입됨. PC 증가
  4. AC의 이전 내용 + 주소 941의 내용 ⇒ 더한 결과가 AC에 저장됨.
  5. 다음 명령어(2941)가 주소 302로부터 반입됨. PC 증가
  6. AC의 내용이 주소 941에 저장됨.
   

프로그램 수행예시 참고 사진