[운영체제] 프로세서, 메모리, 주변장치

1. 운영체제와 하드웨어의 관계

1. 프로세서에게 처리할 작업 할당 및 관리 (프로세스 생성 및 관리)
2. 프로그램의 프로세서 사용 시간 관리, 복수 프로그램간 사용 시간 조율  
3. 프로그램의 요청에 따른 메모리 할당 및 회수, 할당된 메모리 관리
4. 가상 메모리 생성 및 관리, 논리주소 -> 물리주소 변환
5. 주변 장치 사용을 위한 인터페이스 제공 (장치드라이버 관리)
6. 인터럽트 처리
7. 파일 생성 및 삭제, 디스크 공간 관리

 

컴퓨터 하드웨어는 크게 프로세서, 메모리, 주변장치로 분류할 수 있다. 

2. 프로세서 

연산 수행(연산장치)이 가능하며 컴퓨터의 모든 장치의 동작을 제어(제어장치)한다.

 

2.1. 레지스터 

1. 한마디로 말하면 메모리 중 하나이다. 
2. 일반적인 메모리와 다른 점은 프로세서 내부에 있는 메모리라는 점이다. 
3. 컴퓨터에서 가장 빠른 메모리이다. 

 

사용자 가시 레지스터와 사용자 불가시 레지스터로 나뉘어지는데  사용자 가시 레지스터는 사용자가 접근할 수 있는 레지스터이고, 불가시 레지스터는 사용자가 접근할 수 없는 레지스터이다.

 

사용자 가시 레지스터에서는 예를 들어 C언어에서 다음과 같이 접근할 수 있다. 

register int num = 10;

 

사용자 불가시 레지스터에는 프로그램 카운터, 명령어 레지스터, 누산기, 메모리 주소 레지스터, 메모리 버퍼 레지스터가 존재한다.

1. 프로그램 카운터 : 다음에 실행할 명령어의 주소를 보관하는 레지스터
2. 명령어 레지스터 : 프로그램 카운터의 주소를 통해 가져온 현재 실행할 명령어를 보관하는 레지스터
3. 누산기 : 계산시에 데이터를 일시적으로 저장할 수 있는 레지스터 
4. 메모리 주소 레지스터 : 접근할 메모리의 주소를 보관하는 레지스터 
5. 메모리 버퍼 레지스터 : 메모리에 저장할 데이터를 보관하는 레지스터 

 

 

3. 메모리 

3.1. 메모리 계층 구조

위의 이미지는 메모리 계층 구조인데, 위로 올라갈수록 속도가 빨라지는 대신 가격이 비싸지고, 가격이 비싸니까 용량이 작아진다.

 

3.2. 주 기억장치

1. 프로세서가 수행할 프로그램과 데이터가 저장된다. 
2. 왜냐하면 프로세서가 직접 접근할 수 있는 것은 주 기억장치이기 때문에 반드시 주기억장치에 적재 되어야한다.
3. 디스크에서 가져오면 안될까? 디스크 입출력 병목현상 때문이다. 
4. CPU의 성능 발전을 디스크가 쫓아가지 못하기 때문이다. 

 

3.3. 캐시 (L1, L2 캐시 등)

1. 프로세서 내부에 있는 메모리이며, 메인 메모리가 디스크의 병목현상을 해결했으면 캐시는 메인 메모리의 병목현상을 해결하기 위해 사용하게 된 메모리이다.
2. 캐시의 용량은 굉장히 작다. 그러면 수많은 데이터에 대해서 효과를 볼 수 있을까? 
3. 공간적 지역성, 시간적 지역성 덕분에 효과를 볼 수 있다. 

 

공간적 지역성 

1. 참조한 주소와 인접한 주소를 다시 참조할 확률이 높다. 
2. Ex) 순차적 프로그램 수행

 

시간적 지역성

1. 한 번 참조한 주소를 곧 다시 참조할 확률이 높다.
2. Ex) For 문

 

지역성은 알고리즘 성능 향상을 위해서도 중요한 요소 중 하나이다. 

for (int i=0; i<n; i++) {
	for(int j=0; j<n; j++) {
    	// arr[i][j] vs arr[j][i]
	}
}

캐시에 데이터를 저장할 때 그 데이터만 저장하는 것이 아닌, 보통 그 데이터를 포함한 Cache Line으로 저장한다.

만약 arr[j][i]로 읽게 되면 Cache Line에 해당 데이터가 포함되지 않기 때문에 Cache 메모리의 장점을 누릴 수 없지만 arr[i][j]로 읽게 되면 arr[0][0]에서 Cache Line으로 arr[0][0], arr[0][1].... 만큼 데이터를 가져왔기 때문에 Cache 메모리의 장점을 누릴 수 있다.

 

3.4. 보조기억장치 

1. 프로그램과 데이터를 저장하는 장치인데, 프로세서가 직접 접근할 수 없다. 
2. 만약 프로그램/데이터가 메인 메모리보다 크게 되면 이때 활용하는 것이 하드 디스크의 일부를 메인 메모리처럼 사용하는 방식인 가상 메모리 기법이다. 

 

 

4. 시스템 버스

프로세서, 메인 메모리, 주변장치들이 통신을 위해 사용하는 통로가 시스템 버스이다. 

1. PC가 읽어야할 명령어의 주소를 MAR에 기록을 하면 주소 버스를 통해 메모리에게 해당 주소가 전달된다. 
2. 동시에 제어 장치가 제어 신호를 발생시켜, 메모리에게 해당 주소의 데이터를 읽어 달라는 제어의 신호를 전달한다.
3. 메모리에 명령어가 인출되어 데이터 버스를 타고가 MBR에 입력된다.
4. IR에 결국 다음에 수행될 명령어가 최종적으로 저장된다. 

5. 주변 장치와 운영체제 

1. 장치 드라이버는 어떠한 주변 장치를 사용할 수 있도록 OS에게 제공하는 인터페이스이다. 
2. 보통 벤더들이 직접 API를 개발하는데 OS는 이를 통해 주변 장치를 활용한다. 
3. 이것이 바로 장치 드라이버이다.

 

Reference

https://sites.google.com/view/hpclab/courses/operating-system

HPC Lab., KOREATECH - Operating System