[운영체제] 컴퓨터 시스템 구조

본 게시글은 KOCW 이화여자대학교 반효경 교수님의 <운영체제> 강의를 듣고 정리한 내용입니다.
게시글에 포함되는 이미지 자료 또한 해당 강의에 포함된 강의 자료입니다.

컴퓨터 시스템 구조

컴퓨터 시스템 구조

컴퓨터 시스템은 크게 CPU, Memory, 주변장치(하드디스크, 입출력 장치)로 구성되고, 이들은 시스템 버스로 연결합니다.

먼저 간략하게 설명해보면, CPU는 모든 장치의 동작을 제어하고 명령을 실행하는 중앙처리장치이며, 메모리는 CPU의 작업 공간입니다.

주변장치는 큰 개념으로 모두 입출력 장치라고 볼 수 있는데, 입력 장치에는 키보드, 마우스 등이 있으며 출력장치는 모니터, 프린터 등이 있습니다. 하드디스크는 보조기억장치로 보통 이야기 하지만, 하드디스크의 데이터를 메모리로 읽어들이기도 하고(입력 장치로서의 역할), 처리 결과를 디스크의 파일 시스템에 저장(출력장치로서의 역할)하기도 하기 때문에 입출력 장치로 볼 수 있습니다.

CPU

CPU는 중앙처리장치라고도 불리며, 매 클럭 사이클 마다 메모리에서 기계어(= instruction)을 읽어 실행함으로써 명령을 실행하고 컴퓨터 시스템의 장치의 동작을 제어합니다.

 

• registers: CPU 내부에 있으며, CPU가 사용할 데이터를 보관하는 가장 빠른 메모리
• Mode bit: mode bit으로 인해 운영체제를 위하여 실행되는 작업과 사용자를 위해 실행되는 작업을 구분
• Interrupt line: interrupt의 발생을 감지. CPU는 하나의 instruction이 끝나고 나면 interrupt line을 체크

Mode bit

사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치입니다.

Mode bit을 통해 하드웨어적으로 두 가지 모드의 operation을 지원합니다.

1 사용자 모드: 사용자 프로그램 수행
0 모니터 모드(= 커널 모드, 시스템 모드): OS 코드 수행

 

보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드에서만 수행 가능한 '특권명령'으로 규정합니다.Interrupt나 Exception 발생 시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꾸고, 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 세팅합니다.

 

• mode bit이 0일 때: 운영체제가 CPU를 가지고 있을 때 (메모리 접근, I/O device 접근 instruction까지 무슨 일이든 다 할 수 있도록 정의되어 있음)
• mode bit이 1일 때: 사용자 프로그램이 CPU를 가지고 있을 때 (보안 상의 목적으로 제한된 instruction만 실행 가능)

Timer

특정 프로그램이 CPU를 독점하는 것을 막기 위해 일정 간격으로 interrupt 를 발생시키는 하드웨어입니다.

(사용자 프로그램에 CPU를 할당하게 되면 CPU 제어권이 OS에게 없어 다시 뺏을 수 없기 때문에 timer를 두어 CPU 독점 방지)

 

• 타이머는 매 클럭 틱 때마다 1씩 감소하는데, 타이머 값이 0이 되면 타이머 인터럽트 발생
• CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것으로부터 보호
• 타이머는 time sharing을 구현하기 위해 널리 이용됨
• 타이머는 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용

I/O Device

I/O device의 종류에는 키보드, 마우스, 스피커, 프린터, 디스크 등이 있습니다.각각의 I/O device에는 해당 장치를 관리하는 일종의 작은 CPU인 device controller가 존재합니다.I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어납니다.

Device Controller

• 해당 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
• 제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐
• local buffer를 가짐 (일종의 data register)

I/O 작업은 매우 오래 걸리는 작업이기 때문에, CPU가 제어하지 않습니다. (CPU는 메모리에서 instruction 읽어서 수행만)

I/O 작업을 요청받으면 I/O 작업을 Device Controller 가 진행하고, 작업이 끝나게 되면 interrupt를 걸어 작업이 끝났음을 CPU에게 알려 CPU 가 Local Buffer에서 데이터를 읽어가게 됩니다.

또한, 제어 정보를 위해 control register, status register를 가지며 데이터를 저장하는 local buffer를 가지고 있습니다. (데이터 자체는 local buffer에 저장하게 되고, 이를 화면에 출력하라와 같은 지시는 제어 register를 통해 CPU가 device controller에게 하게 되는 것)

DMA(Direct Memory Access) Controller

DMA (Direct Memory Access)

• I/O 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해서 사용. 메모리에 접근이 가능하다. (원래는 CPU 만 가능)
• CPU의 중재 없이 DMA controller가 device의 buffer storage의 내용을 메모리에 block 단위로 직접 전송
• 바이트 단위가 아니라 block 단위로 인터럽트를 발생시킴

I/O 작업이 완료되어 Device Controller가 CPU에게 interrupt를 걸면, CPU가 local buffer에서 데이터를 읽어가게 되는데, I/O 작업이 끝날 때 마다 인터럽트가 걸리게 된다면 CPU가 interrupt를 당하는 빈도가 너무 잦아 CPU가 비효율적으로 작동하게 됩니다.

I/O의 과도한 interrupt를 방지하기 위해 DMA Controller가 존재합니다.

 

local buffer에 일정 분량의 데이터가 쌓이면 DMA Controller가 block 단위로 한번에 메모리에 copy 하고 interrupt를 걸어줍니다. DMA를 둠으로써 CPU가 interrupt 당하는 빈도가 줄어들게 되어 CPU를 더 효율적으로 사용 가능하게 됩니다.

 

DMA controller가 존재함으로써 CPU, DMA 둘 다 메모리에 접근할 수 있게 됩니다. 그런데 둘이서 동시에 특정 메모리 영역에 접근하면 문제가 생길 수 있기 때문에 Memory Controller가 중재역할을 담당합니다.