컴퓨터 시스템 소개

컴퓨터 하드웨어의 구성

 

• 컴퓨터 시스템
  - 논리 연산을 수행하는 물리적인 기계 창인 하드웨어(hardware)와 하드웨어에 작업을 지시하는 명령어로 구성된 프로그램인 소프트웨어(softeare)로 구성
• 컴퓨터 하드웨어
  - 프로세서, 메모리(기억장치), 주변장치로 구성되고, 이들은 시스템 버스로 연결

 

 

Processor

 

• Clock
  - 컴퓨터 시간은 흔히 cycle의 수를 통해 측정
    ▷ Cycle : 시스템 clock 생성기가 보낸 전기 신호의 한 주기
    ▷ Clock 생성기는 각 장치가 요구하는 주파수의 clock 생성
        → 초당 cycle 수 (Hz, hertz)로 측정. 일반적으로 높은 주파수는 높은 성능을 의미

• Processor (CPU(중앙처리장치))
  - 컴퓨터 하드웨어 구성 요소 중 운영체제와 가장 밀접한 부분으로, 컴퓨터의 모든 장치의 동작을 제어하고 연산 수행

• Processor의 register
  - 프로세서 내부에 있으며, 프로세서가 사용할 데이터를 보관하는 가장 빠른 메모리
  - 용도에 따른 분류
    ▷ 전용 레지스터 : PC, IR(명령 레지스터) etc
    ▷ 범용 레지스터
  - 사용자가 정보 변경 가능 여부에 따른 분류
    ▷ 사용자 가시(user-visible) 레지스터
        → Read / Write by user program
    ▷ 사용자 불가시(user-invisible) 레지스터
  - 저장하는 정보의 종류에 따른 분류
    ▷ 데이터 레지스터
    ▷ 주소 레지스터
    ▷ 상태 레지스터

 

Memory

 

• Memory hierarchy
  - 1950 ~ 1960년대 너무 비싼 메인 메모리의 가격 문제 때문에 제안한 방법
  - 메모리를 계층적으로 구성하여 비용, 속도, 용량, 접근 시간 등을 상호 보안

• Main memory (memory)
  - 프로세서 외부에 존재
  - 프로세서에서 수행할 프로그램과 데이터(read), 프로세서에서 처리한 결과 저장(write)
  - 주기억장치 또는 1차 기억장치
  - 저장 밀도가 높고 가격이 싼 DRAM(Dynamic RAM)을 많이 사용
  - 메모리 성능 : memory access time과 memory cycle time으로 표현
    ▷ 프로세서와 메인 메모리 간에 속도 차이
  - Address를 이용하여 참조 (reference)
  - 하나의 주소값은 일반적으로 8bit (1byte)
    ▷ Processor에 따라 달라질 수 있다.
  - 주소가 n비트라면 address space는 0~2^n - 1
    ▷ Ex) 32bit address : 0 ~ 0xFFFFFFFF (총 4GB)
  - Word : system이 한번에 처리하는 데이터 크기
    ▷ 컴퓨터는 32비트, 64비트가 있다.
        → 32비트 컴퓨터의 경우 1 워드가 32비트, 즉 4바이트가 된다.
        → 64비트 컴퓨터의 경우 1워드가 64비트, 즉 8바이트가 된다.

메인 메모리의 역할

메인 메모리의 주소 지정

메모리 접근시간과 메모리 사이클 시간

• Cache
  - 프로세서 내부나 외부에 있으며, 처리 속도가 빠른 프로세서와 상대적으로 느린 메인 메모리의 속도 차이를 보완하는 고속 버퍼
  - 메인 메모리에서 데이터를 블록 단위로 가져와 프로세서에 워드 단위로 전달하여 속도를 높인다.
    ▷ 고속 메모리(SRAM)
    ▷ 캐시 적중(cache hit) : 참조하는 정보가 캐시 메모리에 있는 경우
    ▷ 캐시 실패(cache miss) : 참조하는 정보가 메모리에 없는 경우
  - 실제 프로그램을 실행할 때 참조한 메모리에 대한 spatial locality와 temporal locality 이용
    ▷ spatial locality : 대부분의 프로그램이 참조한 주소와 인접한 주소의 내용을 다시 참조하는 특성
    ▷ Temporal locality : 한 번 참조한 주소를 곧 다시 참조하는 특성
  - 캐시의 예
    ▷ L1과 L2 프로세서 캐시
    ▷ 메인 메모리의 일정 부분을 할당해 2차 저장소의 데이터를 캐싱

 

Buffer

 

• Buffer
  - 전송속도에 차이가 있는 두 장치 사이에서 임시로 데이터를 저장하여 그 차이를 완화하는 장치
    ▷ 소프트웨어와 하드웨어 장치들이 데이터를 비동기적으로 전송하게 함으로써 시스템 성능 향상
• Spool
  - CPU와 저속 입출력장치가 독립적으로 동작하도록 고안된 소프트웨어적인 버퍼
  - Ex) Spooler
    ▷ 인쇄할 내용을 순차적으로 출력하는 소프트웨어
    ▷ Main SW는 데이터를 저장장치에 저장하면 인쇄 완료
    ▷ 출력 명령을 내린 프로그램과 독립적으로 동작하며 실제 인쇄 : 시스템 성능 향상

 

 

System bus

 

• 하드웨어를 물리적으로 연결하여 서로 데이터를 주고받을 수 있게 하는 통로
• 컴퓨터 내부의 다양한 신호(데이터 입출력, 프로세서 상태, 인터럽트 요구와 허가 등)를 시스템 버스로 전달
• 기능에 따라 데이터 버스, 주소 버스, 제어 버스로 구분

종류	설명
데이터 버스	프로세서와 메인 메모리, 주변장치 사이에서 데이터를 전송한다. 데이터 버스를 구성하는 배선 수는 프로세서가 한 번에 전송할 수 있는 비트 수를 결정하는데, 이를 워드라고 한다.
주소 버스	프로세서가 시스템의 구성 요소를 식별하는 주소 정보를 전송한다. 주소 버스를 구성하는 배선 수는 프로세서와 접속할 수 있는 메인 메모리의 최대 용량을 결정한다.
제어 버스	프로세서가 시스템의 구성 요소를 제어하는 데 사용한다. 제어 신호로 연산장치의 연산 종류와 메인 메모리의 읽기나 쓰니 동작을 결정한다.

 

 

 

Peripherals

 

• 프로세서와 메인 메모리를 제외한 나머지 하드웨어 구성 요소
• 크게 입력장치, 출력장치, 보조 기억장치 (storage, 저장장치), 통신장치로 구분
  - 저장장치 : 영구적으로 데이터를 저장하는 장치. 데이터를 입력하여 저장하며, 저장한 데이터를 출력하는 공간이므로 입출력 장치에 포함하기도 한다.