컴퓨터 공학 - 구조, 운영체제

🖥️ 컴퓨터 구조

입력 장치

입력장치는 컴퓨터가 처리할 수 있는 형태로 데이터와 명령을 받아들이는 물리적인 장치입니다.

출력 장치

출력장치는 처리된 데이터를 사람이 이해할 수 있는 형태로 출력하는 물리적인 장치를 의미합니다.

중앙처리장치

CPU의 내부 구성은 크게 산술/논리 연산 장치(ALU)와 제어 장치, 레지스터로 구성되어 있습니다.

저장 장치

저장장치는 데이터나 프로그램을 보관하기 위한 일차 기억 장치인 주 기억 장치(Memory)와

주 기억 장치를 보조하기 위한 보조 기억 장치가 존재하고 있습니다.

 

 

CPU

CPU의 구조

CPU 의 내부 구성은 크게 산술/논리 연산 장치(ALU), 제어 장치와 레지스터로 구성

 

산술/논리 연산장치 : 가산기, 보수기, 누산기, 기억 레지스터, 데이터 레지스터 등으로 구성

제어 장치 : 시그널을 통해서 데이터 흐름을 통제하는 것 (프로그램 계수기, 명령 레지스터, 명령해독기 등)

레지스터 : 레지스터(Register)는 중앙처리장치(CPU) 내부에 있는 기억장치

 

CPU의 기능

명령어 인출 및 해독은 모든 명령어들에 대하여 공통적으로 수행하며 기억 장치로부터 명령어를 읽어옵니다.

그리고 데이터 인출 및 처리, 쓰기와 같은 것들은 명령어에 따라 필요할 때만 수행합니다.

 

명령어는 시스템이 특정 동작을 수행시키는 작은 단위입니다.

명령어는 코드로 되어 있는데,

 

 

동작코드(Op-code : Operational Code)와 오퍼랜드(Operand)로 구성

• 동작 코드(Op-code): 각 명령어의 실행 동작을 구분하여 표현
• 오퍼랜드(Operand): 명령어의 실행에 필요한 자료나 실제 자료의 저장 위치를 의미

 

명령어 수행 과정으로는

1. 읽기(Fetch Instruction, FI): 메모리에서 명령을 가져옵니다.
2. 해석(Decode Instruction, DI): 명령을 해석합니다.
3. 실행(Execute Instruction, EI): 명령을 수행합니다.
4. 기록(Write Back, WB): 수행한 결과를 기록합니다.

 

명령어 처리 방식으로는,

RISC : 명령어 세트를 단순화 시켜서 처리하는 형태의 구조,, 단순한 명령을 조합해서 하나의 기능을 수행
 
CISC : 하나의 기능에 해당하는 하나의 명령이 있는 개념

 

CISC

• 여러 사이클로 명령어를 처리합니다.
• 많은 명령어가 메모리를 참조하는 처리 방식입니다.
• 파이프라이닝의 사용이 어렵습니다.
• 복잡한 마이크로 프로그램 구조를 갖고 있습니다.

 

RISC

• 하나의 사이클로 명령어를 처리합니다.
• 메모리 Load / Store 명령만 처리하는 방식입니다.
• 파이프라이닝, 슈퍼스칼라의 사용이 가능합니다.
• 복잡한 컴파일러 구조를 갖고 있습니다.

 

 

💾 Memory

 

CPU 와 가장 가까이 있는 레지스터 메모리, 캐시 메모리, 주기억 장치, 보조기억 장치는 각각 그 특성

 

• 보조기억장치와 메모리의 차이는 '휘발성' 이다.
• 메모리는 시스템이 활성화 된 상태에서 값이 있지만 시스템이 꺼지게 되면 지워진다.

 

주기억장치

 

RAM(Random Access Memory)

• 컴퓨터의 전원이 끊어지면 내용이 휘발되어 보조 저장 장치가 반드시 필요
• RAM의 크기는 프로그램의 수행 속도에 영향
• RAM의 종류에는 SRAM(리프레쉬가 필요 없고 전력 소모가 적으나 비쌈)과 DRAM(리프레쉬가 필요하고 SRAM보다 저가이며 많이 사용)

 

ROM(Read Only Memory)

• 대부분 읽을 수만 있는 장치로 구성되어 있으며 전원이 끊겨도 내용이 보존이 됩니다.

 

보조기억장치

 

자기 디스크

• 원판 표면의 철 입자의 방향(N/S극)으로 0과 1을 표현합니다.
• 디스크 드라이브는 자기 디스크로부터 데이터를 읽는 주변 장치를 의미합니다.
• 자기 디스크에는 플로피 디스크(FDD)와 하드 디스크(HDD)가 있다.

 

광 디스크

• 광 디스크(optical disc, OD)는 빛의 반사를 이용하여 자료를 읽어내는 저장 매체
• 1세대인 CD부터 시작해 2세대 DVD를 거쳐 3세대인 블루레이 디스크까지 존재하고 있습니다.
• 차세대 디스크로는 테라 디스크나 HVD등이 존재합니다.

 

플래시 메모리

• 전자적으로 데이터를 지우고 쓸 수 있는 비휘발성 메모리로 충격에 강하여 휴대용 기기에 널리 이용,
• 플래시 메모리에는 USB와 SSD가 존재하고 있으며,
• SSD는 HDD와 달리 디스크, 헤더와 같은 기계적 장치는 빠졌지만 저전력, 저소음, 저중량이라는 특징

 

캐시 메모리(Cache Memory)

‘Cache’라는 의미는 보관이나 저장의 의미

 

CPU와 메인 메모리 사이에 존재한다고 말할 수 있는데,

CPU 내에 존재할 수도 있고 역할이나 성능에 따라서는 CPU 밖에 존재할 수도 있다.

 

CPU가 필요한 데이터가 Cache Memory 내에 들어와 있으면 ‘Cache Hit’라 하고

접근하고자 하는 데이터가 없을 경우를 ‘Cache Miss’

 

이러한 원하는 데이터가 있을 수도 있고 없을 수도 있는데, 이때 원하는 데이터가 Cache에 있을 확률을 ‘Hit Ratio’라 합니다.

 

 

 

⚙️ 운영체제의 목적 및 기능

 

목적 : 처리능력 향상, 사용가능도 향상, 신뢰도 향상, 반환시간 단축
기능 : 자원관리, 스케줄링, 인터페이스, 하드웨어 네트워크 관리제어

 

 

운영 체제의 시스템 자원 관리

운영체제가 없다면, 응용 프로그램이 실행될 수 없으며,

응용 프로그램은 컴퓨터를 이용해 다양한 작업을 하는 것이 목적이고,

운영체제는 응용 프로그램이 하드웨어에게 일을 시킬 수 있도록 도와줍니다.

 

 

시스템 자원을 관리하는 주체가 바로 운영체제입니다.

• 프로세스 관리(CPU)
• 메모리 관리
• I/O(입출력) 관리 (디스크, 네트워크 등)

 

프로세스 구성요소

1. 유저 메모리 영역 관리 VAD
   프로세스 별로 독립된 영역을 가지게 됨. 커널 메모리공간의 경우 모든 프로세스가 공유해 사용한다. 독립된 영역을 관리하기 위해 VAD라는 관리 테이블이 존재함
2. 핸들 테이블
   프로세스에서 사용하는 모든 핸들에 대한 커널 객체 포인터 정보를 배열 형태로 가지고 있는 공간. 프로세스를 종료할때 이 테이블의 정보를 참고해 이 프로세서에서 사용하고 있는 모든 커널 객체 자동반환
3. 독립적인 메모리공간
   프로세스 단위로 관리되는 자원 중 가장 중요한 부분이 가상 메모리이다.
   페이징기법을 이용해 프로세스마다 별도의 고유한 메모리를 사용할 수 있게 한다.

프로세스 특징

• 자원 소유 단위
  각 프로세스는 자신의 실행 이미지 로드와 실행에 필요한 추가적인 메모리공간을 갖고있어야함.
  해당 프로세스가 접근하고자 하는 파일, 입출력 장치들에 대해서 프로세서 단위로 할당받아 관리됨.
• 디스패칭 단위: 스레드
  여러 프로세스의 병렬적인 실행을 위해 하나의 프로세스에서 여러개의 디스패칭 단위가 실행될 수 있도록 한다.

 

프로세스 상태

 

생성 -> 준비 -> 실행 -> 대기 -> 완료

 

 

🔧 프로세서 VS 프로세스

 

프로세서(Processor)

• 하드웨어적인 측면 : 컴퓨터 내에서 프로그램을 수행하는 하드웨어 유닛으로, 중앙처리장치(CPU)를 의미하며 적어도 하나 이상의 ALU와 레지스터를 내장
• 소프트웨어적인 측면 : 데이터 포맷을 변환하는 역할을 수행하는 데이터 처리 시스템을 의미합니다. 워드프로세서나 컴파일러 등

 

프로세스(Process)

프로세스는 특정 목적을 수행하기 위해 나열된 작업의 목록을 의미.

메모리에 적재 되어 프로세서에 의해 실행 중인 프로그램을 프로세스

 

 

 

스레드란?

스레드는 명령어가 CPU 를 통해서 수행되는 객체의 단위

하나의 프로세스 내에는 반드시 1개 이상의 스레드가 존재

 

스레드는 같은 프로세스에 있는 자원과 상태를 공유

같은 프로세스 내에 있는 스레드는 같은 주소 공간에 존재하게 되며 동일한 데이터에 접근할 수 있고,

하나의 스레드가 수정한 메모리는 같은 메모리를 참조하는 스레드에 영향을 주며,

프로세스가 종료되면 그 프로세스에 속해있던 스레드도 함께 종료된다!

 

 

스레드의 특징

• 스레드는 시작해서 종료할 때까지 한번에 하나씩 명령들을 수행
• 각 스레드마다 call stack이 존재 (call stack: 실행 중인 서브루틴을 저장하는 자료 구조)
• 나머지 Code, Data, Heap 영역은 스레드 끼리 공유
• 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없습니다.
• 스레드는 다른 스레드와 독립적으로 동작

 

 

싱글 스레드(Single-Thread)

프로세스가 단일 스레드로 동작하는 방식

 

싱글 스레드의 장점

• 자원 접근에 대한 동기화 신경쓰지 않아도 된다
• 문맥 교환작업을 요구하지 않음
• 난이도는 쉽고,  CPU메모리를 적게 사용

 

싱글 스레드의 단점

• 여러개의 CPU 활용하지 못함
• 연산량이 많은 작업 시 선점된 작업이 완료되어야 다른 작업 수행 가능
• 에러처리가 안되면 멈춘다.

 

 

멀티 스레드(Multi-Thread)

하나의 프로세스 내에서 둘 이상의 스레드가 동시에 작업,
여러 개의 CPU를 사용하여 여러 프로세스를 동시에 수행

 

멀티 스레드의 장점

• 실시간으로 사용자에게 응답
• 한 프로세스를 여러 프로세서에서 수행(효율적)

 

멀티 스레드의 단점

• 힘든설계와, 디버깅이 어렵다
• 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없음
• 자원 공유 문제 > 한 스레드에 문제 발생 시 전체 프로세스가 영향
• 문맥 교환 작업 필요 -> 다른 태스크(프로세스, 스레드)가 시작할 수 있도록 이미 실행 중인 태스크(프로세스, 스레드)를 멈추는 것

 

🔩 가비지 컬렉션

 

가비지 컬렉션

가비지 컬렉션은 프로그램에서 더 이상 사용하지 않는 메모리를 자동으로 정리하는 것

 

메모리 생존주기

메모리 생존 주기는 그 어떤 프로그래밍 언어에 관계 없이 비슷하며

1. 필요할 때 개발자가 할당
2. 할당된 메모리를 사용 (Read and Write)
3. 메모리가 더이상 필요하지 않으면 해제

JavaScript는 C언어와는 반대로 고수준 언어로서,

1,3 번은 암묵적으로 작동한다!

 

객체가 생성되었을 때 자동으로 메모리를 할당하고 필요하지 않다면 자동으로 해제하는 가비지 컬렉션이 내장

 

 

대표적인 가비지 컬렉션의 방법

참조(reference)

명시적이든, 암묵적이든 관계없이 메모리 관리 관점에서 어떤 객체가 다른 객체에 접근할 수 있다면 다른 객체를 참조한다고 말한다.

 

렉시컬 스코핑(lexical scoping)

변수 이름이 중첩된 함수에서 해석되는 방식을 정의하는 것으로,

중첩되어 있는 더 안쪽의 함수는 부모 함수가 값을 반환한 다음에도 부모 함수의 스코프를 포함하고 있습니다.