컴퓨터 시스템의 구성

컴퓨터 시스템은 데이터를 처리하는 물리적 기계 장치인 하드웨어와 특별한 작업을 지시하려고 명령어로 작성한 프로그램인 소프트웨어로 구성되어 있다.

 

컴퓨터 시스템 구조

 

하드웨어

프로세서, 메모리, 버스 등 다양한 주변 장치로 구성되어 있다.

 

하드웨어 구조

 

1. 프로세서(CPU)

운영체제와 가장 밀접한 하드웨어로 컴퓨터 각 부분의 동작을 제어하고 연산을 수행한다.

 

1) 동작 과정

1. 주 기억장치는 입력장치에서 입력받은 데이터 또는 보조기억장치에 저장된 프로그램 읽어온다.
2. CPU는 프로그램을 실행하기 위해 주 기억장치에 저장된 프로그램 명령어와 데이터를 읽어와 처리하고 결과를 다시 주 기억장치에 저장한다.
3. 주 기억장치는 처리 결과를 보조기억장치에 저장하거나 출력장치로 보낸다.
4. 제어장치는 1~3 과정에서 명령어가 순서대로 실행되도록 각 장치를 제어한다.

 

2. 메모리(기억장치)

레지스터, 캐시 메모리, 주 기억장치, 보조 기억장치를 계층 구조로 분류할 수 있고 상위의 기억장치일수록 접근 속도와 시간이 빠르지만 용량이 적고 고가이다.

 

메모리 계층 구조

 

• 레지스터: 고속 메모리로 프로세서가 바로 사용할 수 있는 데이터를 담는다. 특수한 값 하나를 저장하는 기억 공간으로 사용되며 연산을 처리하다가 중간 값을 저장한다.
• 캐시: 처리 속도가 빠른 프로세서와 상대적으로 느린 메인 메모리 사이에서 속도 차를 보완하여 데이터를 저장하는 고속 버퍼이다.
• 주 기억장치(메인 메모리): 프로세서가 사용할 프로그램이나 데이터를 저장하는 작업장으로 자신의 주소를 갖는 워드 또는 바이트로 구성되어 있으며 주소를 이용하여 액세스 할 수 있다.
• 보조 기억장치(디스크): 즉시 필요하지 않은 프로그램과 데이터를 저장한다. 보조 기억장치에 있는 프로그램이나 데이터는 CPU가 직접 액세스 할 수 없으므로 주 기억장치에 적재된 후 CPU에 의해 액세스 될 수 있다.

 

3. 버스

프로세서를 비롯해 각 장치 간 또는 서브시스템을 서로 연결하여 정보(데이터)를 주고받을 수 있게 해주는 통로로 컴퓨터 내부의 다양한 신호는 버스를 통해 전달된다.

 

4. 인터럽트(Interrupt)

컴퓨터에 설정된 장치에서 프로세서로 보내는 하드웨어 신호로 인터럽트를 받은 프로그램은 실행을 멈추고 다른 프로그램이 실행된다.

• 프로그램을 실행하는 도중에 예기치 않은 상황이 발생하거나 입출력할 때 인터럽트가 발생한다. ex) CPU 사용시간 만료, 자식 프로세스 생성, 인터럽트 처리 대기 등
• 현재 수행 중인 프로그램을 멈추고, 상태 레지스터와 PC 등을 스택에 잠시 저장한 뒤에 인터럽트 서비스 루틴으로 간다. 인터럽트 서비스 루틴이 끝나면 다시 원래 작업으로 복구한다.
• 시스템의 처리 효율을 향상하기 위해 사용되며 다중 프로그래밍에 사용된다.

 

인터럽트 처리 순서

 

소프트웨어

컴퓨터 프로그램과 그와 관련된 문서를 총칭하고 OS, 응용 프로그램, 유틸리티로 구성된다.

 

소프트웨어 및 운영체제 구조

 

1. 응용 프로그램

어떤 문제를 해결하기 위해 사용자나 전문가에 의해 만들어진 프로그램이다.

 

2. 유틸리티

컴퓨터의 여러 처리 과정을 보조하여 시스템을 유지하고 성능을 개선하기 위한 프로그램으로 응용 프로그램보다 작은 프로그램을 의미한다.

 

3. 운영체제(OS)

하드웨어와 소프트웨어의 자원과 동작을 관리하는 시스템 소프트웨어로 하드웨어와 사용자 간의 인터페이스를 담당하며 컴퓨터 시스템 효율성을 향상하고 사용자에게 편리한 사용 환경을 제공한다.

• 시스템 소프트웨어: 컴퓨터를 사용할 때 가장 기본적으로 필요한 소프트웨어로 OS, 유틸리티, 컴파일러, 어셈블러, 링커 등을 말한다.
• 운영체제 기능
  • 프로세스 관리: 프로세스/스레드, 스케줄링, 동기화, IPC 통신
  • 저장장치 관리: 메모리 관리, 가상 메모리, 파일 시스템
  • 네트워킹, 사용자 관리, 디바이스 드라이버

 

1) 커널

OS의 핵심 부분으로 시스템의 모든 것을 통제한다.

 

2) 시스템 콜(System Call)

시스템 콜은 커널에 접근하기 위한 인터페이스로 응용 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용된다. 일반적으로 고수준의 언어로 작성된 애플리케이션이 저수준 기능을 이용하기 위한 인터페이스 역할을 한다.

 

3) 이중 모드

프로그램이 커널에 접근하기 위해 시스템 콜을 호출하면, CPU 내부 레지스터의 mode bit을 참고하여 유저 모드를 커널 모드로 변경한다. 운영체제를 통해 자원에 접근 및 요청의 처리를 진행하고 처리가 완료되면 다시 유저 모드로 돌아가게 된다. 이러한 과정을 이중 모드(Dual Mode)라고 하며, 컴퓨터 자원에 대한 직접적인 접근을 차단하고 프로그램 간의 간섭을 방지하는 일종의 보호 장치이다.

• 유저 모드: 응용프로그램이 탑재되고 사용되는 공간
• 커널 모드: 디바이스 드라이버를 포함하여 커널 코드가 탑재