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Operating System | Computer System Overview

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By WOOJIN CHOI
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Operating System | Computer System Overview

ch 1 학습목표

  • 시스템의 기본 요소와 그 사이 관계 설명
  • 프로세서에 의해 명령어가 수행되는 처리 단계를 설명
  • 인터럽트의 개념 이해 및 프로세서가 인터럽트를 사용하는 이유를 설명
  • 컴퓨터 메모리 계층 구조 나열 및 설명층 구조 나열
  • 멀티프로세서의 기본 특성과 멀티코어의 구조에 대해 설명
  • 스택 연산과 프로시저 호출 및 리턴 지원

1.1 컴퓨터 기본 구성 요소(HW)

처리기(CPU; Central Processing Unit)

  • 컴퓨터의 두뇌: 데이터 연산, 논리 연산(ALU), 제어(control Unit)
  • 레지스터 (register)
  • x86, ARM, PPC, Sparc, Alpha, MIPS, SH4, Xscale

주기억장치(main memory) | 휘발성(volatile)

  • 메모리 셀: 메모리 내의 개별적인 저장 공간
  • 데이터와 프로그램 저장 (실 메모리라고도 불림)

저장 장치(storage device) | 비휘발성(non-volatile)

  • 디스크, CD-ROM, 플로피, Flash Memory(NOR, NAND 등)

입출력 장치

  • 입력 장치: 키보드, 마우스, Key Pad, Touch Screen
  • 출력 장치: 모니터, 프린터, LCD

통신 장치

  • 모뎀(modem), 이더넷(Ethernet), IrDA, CDMA, Bluetooth
  • CPU의 비트 수가 커질수록 한 번에 전송 가능한 데이터의 양(버스 폭)이 커져 병렬 처리량이 많아진다
  • 시스템 전체 성능은 CPU, 메모리, I/O 장치 중 가장 느린 구성 요소의 영향을 크게 받는다
  • CPU와 I/O 모듈은 시스템 버스를 통해 데이터를 교환하며, 필요에 따라 메모리 매핑 I/O나 DMA 방식이 활용된다

1.1.1 CPU 레지스터

  1. 메모리 주소 레지스터 (MAR)
    1. 다음 번에 읽거나 쓸 주소를 명시
  2. 메모리 버퍼 레지스터 (MBR)
    1. 메모리에 쓸 데이터, 수신된 데이터 포함
  3. I/O 주소 레지스터(I/O AR)
  4. I/O 버퍼 레지스터(I/O BR)

1.1.2 마이크로 프로세서

과거) 단일 칩에 하나의 프로세서를 직접 (CPU) → 하나의 칩에 코어라고 불리는 여러 개의 프로세서 포함

1.1.3 주요 처리기 레지스터 (Processor Registers)

CPU 내부에 있고, 프로그램 실행에 필요한 정보를 저장하는 레지스터이다. 크게 두 그룹으로 나눌 수 있다.

  1. 제어 및 상태 레지스터 (Control and status registers)
    • 처리기의 작동을 제어하기 위해 사용
    • 프로그램의 실행을 제어하기 위한 특권 모드의 운영체제 루틴에 의해 사용

    종류

    • Program Counter
      • 반입*할 명령어의 주소 포함
    • Instruction Register
      • 최근에 반입된 명령어 포함
    • Program Status Word (PSW)
      • interrupt enable / disable
      • supervisor / user mode
      • condition codes or flags
        • positive result, negative result, zero, overflow

1.1.4 명령어 실행 (instruction cycle)

처리기가 메모리로부터 명령어를 읽거나(fetch) 수행(execution)

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fetch → execution → store → fetch (loop)
  1. CPU는 Main Memory로부터 Instruction을 Fetch 한다.
  2. Program Counter가 다음에 fetch할 명령어의 주소를 저장한다.
  3. fetch이후, Program Counter의 증가

1.1.5 Instruction Register

Fetched instruction은 IR에 적재된다.

  • 범주
    • 처리기 ~ 메모리
      • CPU와 메모리간 데이터 전달
    • CPU ~ I/O
      • 주변장치로 데이터 전달
    • 데이터 처리
      • 데이터 산술 또는 논리연산
    • 제어
      • 실행 순서의 변경

1.1.6 Instruction Register의 구조 (가상)

  • 16bit라고 가정
  • 통상적으로 왼쪽을 상위 비트, 오른쪽을 하위 비트라고 한다.
  • opcode(4bit) : 연산코드 → 연산자로 16개의 연산 가능
    • 0001 = 메모리에 저장된 값을 AC*에 적재
    • 0010 = AC에 저장된 값을 메모리에 저장
    • 0101 = 메모리에 저장된 값을 AC에 더함
  • address (12bit): 2^12 -1 = 4096 -1

프로그램 실행 예시

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1단계 (fetch)

  • PC에 저장된 값 = 300
  • MAR ← PC : 300번지를 MAR에 적재
  • 메모리[300] → MBR : 300번지 메모리에서 명령어 0x1940을 읽어 MBR에 저장
  • MBR → IR : 명령어 0x1940을 IR에 저장
  • PC++ : 다음 명령어(301번지)를 가리키도록 증가

2단계 (execution)

  • IR에 저장된 값 0x1940를 실행
  • 상위비트 0001(2), 하위비트 0x940
    • [940] 메모리에 저장된 값을 AC에 적재
    • [0 0 0 3] AC

      3단계 (fetch)

  • PC에 저장된 값 = 다음에 실행할 명령어의 메모리주소 [301]
  • 0x5941을 IR에 적재
  • PC++

4단계 (execution)

  • 상위비트 0101(2), 하위비트 0x941
    • [941] 메모리에 저장된 값을 AC에 누적
    • [0 0 0 3] + [0 0 0 2] = [0 0 0 5] AC

5단계 (fetch)

  • PC에 저장된 값 = 다음에 실행할 명령어의 메모리주소 [302]
    • 0x2941을 IR에 적재
    • PC++

6단계 (execution)

  • 상위비트 0010(2), 하위비트 0x941 [941] AC에 저장된 값을 메모리에 저장 941번지 » [0 0 0 5]

미주

반입(fetch): CPU가 메모리에서 명령어를 읽어오는 과정

  • PC(Program Counter) 에 저장된 값 = “다음에 실행할 명령어의 메모리 주소”
  • 이 주소가 MAR(Memory Address Register) 로 전달됨
  • 해당 메모리에서 명령어를 읽어와서 MBR(Memory Buffer Register) 에 저장
  • 그 명령어가 IR(Instruction Register) 로 옮겨짐 → 해석/실행

누산기(Accumulator)

산술 논리 연산의 중간 결과값을 임시로 저장하는 레지스터로, 계산 과정에서 데이터를 누적하고 처리하는 역할을 담당한다. CPU 내부에 위치하며 연산 속도를 높이기 위해 사용된다.

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