[운영체제] 컴퓨터의 구조와 성능 향상

쉽게 배우는 운영체제 교재 2장에 대한 TIL입니다.

 

 

운영체제를 이해하기 위해서는 컴퓨터 시스템의 구조와 이를 구성하는 하드웨어의 특성을 알아야 한다. 따라서 운영체제와 관련된 여러 하드웨어의 특성과 동작 원리에 대해서 포스팅하려고 한다.

 

하드웨어의 구성

컴퓨터는 중앙처리장치(CPU), 메인메모리, 입출력장치, 저장장치로 구성된다. 메인 메모리는 전력이 끊기면 데이터를 잃어버리기 때문에 데이터를 영구히 보관하려면 하드디스크나 USB 메모리를 사용해야 한다. 따라서, 메인 메모리를 제1저장장치, 하드디스크나 USB 메모리 같은 것들을 제2저장장치 또는 보조저장장치라고 부른다. 이제부터 워딩에 대한 편리함을 위해 메인 메모리를 '메모리', 보조저장장치를 '저장장치'라고 하겠다.

 

컴퓨터를 구성하는 부품 중에는 CPU와 메모리 등 다양한 부품을 연결하고 전원을 공급해 주는 커다란 판인 메인 보드라는 것이 존재한다. 메인보드에서는 각 장치를 연결하여 데이터가 지나다니는 통로를 버스(Bus)라고 한다. 메인보드의 버스는 일정한 경로를 따라 메인보드에 존재하는 각 장치들에 데이터를 전송하는 역할을 한다.

💡 시스템 버스와 CPU 내부 버스

시스템 버스는 메모리와 주변장치를 연결하는 버스이며, 메인보드의 동작 속도를 의미하고 메인 메모리의 동작 속도와 동일하다. 시스템 버스는 FSB(Front Side Bus) 혹은 전면 버스라고 부른다.

CPU 내부에도 다양한 장치들이 있는데 이들은 CPU 내부 버스로 연결된다. CPU 내부에 있는 장치를 연결하는 버스를 BSB(Back Side Bus) 혹은 후면 버스라고 부른다. CPU 내부 버스의 속도는 CPU의 클록과 같다.

 

폰노이만 구조

오늘날의 컴퓨터는 대부분 폰노이만 구조를 따른다. 폰노이만 구조는 CPU, 메모리, 입출력장치 등이 아래 그림과 같은 구조로 연결된 구조를 말한다. 이때, 화살표는 버스를 의미한다.

 

 

폰노이만 구조가 등장하기 전의 컴퓨터는 하드와이어링 형태였기 때문에 다른 작업을 하려면 전선의 연결을 바꾸어야 했다. 이러한 문제를 해결하기 위해 폰노이만은 하드웨어는 그대로 둔 채 작업을 위한 프로그램만 교체하여 프로그래밍이 가능한 컴퓨터 구조 방식을 제안했다.

참고) 폰노이만 구조의 단점을 개선한 하버드 구조라는 것도 존재한다. (폰노이만 구조와 하버드 구조)

 

폰노이만 구조에서 가장 중요한 특징은 다음과 같다.

모든 프로그램은 메모리에 올라와야 실행할 수 있다.

 

저장장치에 있는 프로그램을 실행하려면 프로그램이 메모리에 올라와야 하며, 운영체제도 프로그램이기 때문에 메모리에 올라와야 실행할 수 있다.

 

이러한 컴퓨터 하드웨어들을 관리하는 것이 바로 운영체제이고 작업은 크게 세 가지로 나뉜다.

 

• 프로세스 관리: CPU의 작업 진행에 대한 관리
• 메모리 관리: 여러 프로그램이 사용하는 메모리 관리
• 저장장치 관리: 저장장치 내의 데이터 관리

 

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CPU의 구성과 동작

CPU의 구성요소는 다음과 같다.

 

• 산술논리 연산장치(ALU): CPU에서 데이터를 연산하는 장치
• 제어장치(Control Unit): CPU에서 작업을 지시하는 장치
• 레지스터(Register): 작업에 필요한 데이터를 CPU 내부에 보관하는 곳

 

레지스터의 종류

 

 

사용자 가시 레지스터(user-visible register)는 사용자 프로그램에 의해 변경되는 레지스터이다. 사용자 불가시 레지스터(user-invisible register)는 특수 레지스터라고도 불리는데, 이는 사용자가 임의로 변경할 수 없고 특별한 용도로 사용되는 레지스터이다.

 

버스의 종류

CPU와 메모리, 주변 장치 간에 데이터를 주고받을 때는 시스템 버스를 사용한다. 시스템 버스는 다음과 같이 세 가지 버스로 나뉜다.

 

 

이때, 주의해야 할 점은 주소 버스는 주소 레지스터(AR)와 연결된 것이 아니라 메모리 주소 레지스터(MAR)와 연결되어 있고, 데이터 버스는 데이터 레지스터(DR)와 연결된 것이 아니라 메모리 버퍼 레지스터(MBR)와 연결되어 있다는 점이다. 또한, 제어 버스와 데이터 버스는 양방향이고 주소 버스는 단방향이다.

CPU 비트의 의미

버스의 대역폭은 한 번에 전달할 수 있는 데이터의 최대 크기다. 즉, 버스의 대역폭은 CPU가 한 번에 처리할 수 있는 데이터의 크기와 같다. 흔히 32bit CPU, 64bit CPU라고 하는데 이는 CPU가 한 번에 처리할 수 있는 데이터의 최대 크기 비트를 의미하고 이를 워드라고도 부른다. 다시 말해, 32bit CPU의 1 워드는 32bit이고, 64bit CPU의 1 워드는 64bit이다.

 

 

메모리의 종류와 부팅

메모리는 크게 읽고 쓸 수 있는 RAM(Random Access Memory)과 읽기만 가능한 ROM(Read Only Memory)으로 구분된다. 또한, 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리로 나뉜다. 보통 RAM은 휘발성 메모리, ROM은 비휘발성 메모리라고 알려져 있다. 이 책에서는 최근 기술의 발전으로 RAM에도 비휘발성 메모리가 있는 것으로 적었는데 FRAM, PRAM이라는 것이 있다 정도만 알고 넘어가도 무방할 만큼 상용화가 되지 못했다.

 

또한, 이 책에서는 플래시 메모리도 RAM이라고 분류해 놨는데(심지어 이걸로 연습 문제까지 냈다) 이는 보편적이지 않은, 더 나아가 잘못된 정보이다. 애초에 플래시 메모리는 ROM의 일종인 EEPROM으로부터 발전된 것이고,  플래시 메모리는 RAM처럼 주기억장치가 아닌 보조기억장치로 분류되는 경우가 많기 때문이다. (보조기억장치로 유명한 SSD가 플래시 메모리로 구성되어 있다.)

 

ROM은 전력이 끊겨도 데이터를 보관할 수 있다는 비휘발성 메모리의 장점을 가지고 있지만 데이터를 한 번 저장하면 바꿀 수 없다. 이러한 특성 때문에 ROM은 BIOS(Basic Input Output System) 같은 펌웨어처럼 변하지 않는 컴퓨터에 대한 명령을 영구적으로 저장할 때 사용된다. (하지만, 상대적으로 값싼 플래시 메모리에게 자리를 빼앗겼다.)

 

하드웨어 측면에서의 메모리 보호 기법

현대의 운영체제는 시분할 기법을 사용하여 여러 프로그램을 동시에 실행하므로 메모리 보호는 매우 중요한 문제이다. 메모리가 보호되지 않으면 어떤 작업이 다른 작업의 영역을 침범하여 시스템이 멈출 수도 있다.

 

메모리를 보호하기 위해 CPU는 현재 진행 중인 작업의 메모리 시작 주소를 경계 레지스터에 저장한 후 작업한다. 그리고 현재 진행 중인 작업이 차지하고 있는 메모리의 크기, 즉 마지막 주소까지의 차이를 한계 레지스터에 저장한다. 따라서, 작업이 진행되는 동안 이 두 레지스터의 주소 범위를 벗어나는지 하드웨어 측면에서 점검함으로써 메모리를 보호한다.

 

 

위 그림과 같이 B 작업의 메모리 시작 주소 140은 경계 레지스터에 B 작업 크기 40은 한계 레지스터에 저장된다. B 작업이 데이터를 읽고 쓸 때마다 CPU는 해당 작업이 경계 레지스터와 한계 레지스터의 주소 값 안에서 이루어지는지 검사한다. 만약 두 레지스터의 값을 벗어난다면 메모리 오류와 관련된 신호가 발생하는데 이 신호를 인터럽트라고 한다. 인터럽트가 발생하면 모든 작업이 중단되고 CPU는 운영체제를 깨워서 문제를 처리하도록 시킨다.

 

부팅

응용 프로그램이 운영체제에 의해 메모리에 올라가져서 실행되는 것처럼 운영체제도 누군가에 의해서 메모리에 올라가져야만 실행이 된다. 컴퓨터를 켰을 때 운영체제를 메모리에 올리는 과정을 부팅이라고 한다.

 

사용자가 컴퓨터의 전원을 켜면 ROM에 저장되어 있는 BIOS가 실행된다. BIOS는 주요 하드웨어가 제대로 작동하는지 점검하고 마지막으로 부트스트랩이라는 프로그램을 메모리에 올려놓고 실행시킨다. 부트스트랩은 보조저장장치에 저장된 운영체제를 메모리로 가져와 실행하는 역할을 하는 프로그램이다.

 

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컴퓨터 성능 향상 기술

현대 컴퓨터 구조의 가장 큰 문제는 CPU와 메모리, 주변장치의 작업 속도가 다르다는 것이다. 이러한 장치 간 속도 차이를 개선하고 시스템의 작업 속도를 올리기 위해 개발된 기술 중 운영체제와 관련된 것들을 알아보자.

 

버퍼

버퍼는 두 장치 사이의 속도 차이를 완화하는 역할을 한다. 입출력장치에서 데이터를 읽을 때마다 하나씩 전송하면 효율이 떨어지기 때문에 일정량의 데이터를 버퍼에 모아두고 한꺼번에 전송하면 적은 작업량으로도 많은 양의 데이터를 옮길 수 있다. 보조저장장치인 하드디스크에도 메모리 버퍼라는 것이 있어서 같은 사양의 하드디스크라도 메모리 버퍼 용량이 크면 더 빠르다.

 

버퍼는 하드웨어뿐만 아니라 소프트웨어에서도 사용되는 개념이다.

 

스풀

스풀은 CPU와 입출력장치가 독립적으로 동작하도록 고안된 소프트웨어적인 버퍼이다. 대표적인 예로 프린터에 사용되는 스풀러가 있다. 스풀러는 인쇄할 내용을 순차적으로 출력하는 소프트웨어로 출력 명령을 내린 프로그램과 독립적으로 작동한다. 쉽게 말해, 스풀러가 없다면 출력 명령을 내린 프로그램은 프린터기에서 출력이 될 때까지 아무것도 할 수 없을 텐데 스풀러를 사용하면 인쇄할 내용을 스풀러 공간에 저장하고 다른 작업을 할 수 있다.

 

스풀러는 버퍼의 일종이지만 다른 점은 스풀러는 스풀러 공간에 현재 인쇄를 해야 하는 인쇄물 말고는 들어올 수 없다. 하지만, 버퍼는 프로그램 상에서 공유되고 있기 때문에 어떠한 데이터도 들어올 수 있다.

 

캐시

캐시는 메모리와 CPU 간의 속도 차이를 완화하기 위해 메모리의 데이터를 미리 가져와 저장해 두는 임시 장소다. 캐시 또한 버퍼의 일종으로 CPU가 앞으로 사용할 것으로 예상되는 메모리의 데이터를 미리 가져다 놓는다. 캐시는 CPU 내부에 존재하기 때문에 CPU 내부 버스의 속도로 작동하는 반면, 메모리는 시스템 버스의 속도로 작동하기 때문에 느리다. 따라서, 캐시는 CPU와 메모리의 속도 차이를 완화해 주는 역할을 한다.

 

CPU는 메모리에 접근할 때 먼저 캐시를 방문하여 원하는 데이터가 있는지 찾아본다. 이때, 캐시에서 원하는 데이터를 찾았을 때를 캐시 히트라고 하고, 원하는 데이터가 캐시에 없는 경우는 캐시 미스라고 한다. 캐시 히트가 되는 비율을 캐시 적중률이라고 한다. 컴퓨터의 성능을 향상하려면 캐시 적중률을 높여야 한다.  캐시 적중률을 높이는 방법 중 하나는 캐시의 크기를 늘리는 것이고 다른 하나는 지역성 이론에 따라 현재 프로그램 실행 위치에 가까운 데이터를 미리 가져오는 방법이다.

 

캐시에 있는 데이터가 변경되면 이를 반영해야 하는 문제도 있다. 캐시는 메모리에 있는 데이터를 임시로 가져온 것이기 때문에 캐시에 있는 데이터가 변경되면 메모리에 있는 원래 데이터를 변경해야 한다. 캐시의 변경된 데이터를 메모리에 반영하는 데에는 두 가지 방식이 있다.

 

• 즉시 쓰기: 캐시에 있는 데이터가 변경되면 이를 즉시 메모리에 반영하는 방식이다.
• 지연 쓰기: 캐시에 있는 데이터가 변경되면 그 내용을 모아서 주기적으로 반영하는 방식으로 카피백이라고도 한다.

 

즉시 쓰기의 경우에는 메모리와의 빈번한 데이터 전송으로 성능이 느려진다는 단점이 있지만, 항상 메모리의 최신값이 유지되기 때문에 급작스러운 정전에도 데이터를 잃어버리지 않는다는 장점이 있다. 지연 쓰기의 경우에는 반대로 메모리와의 데이터 전송 횟수가 줄어들어 성능면에서는 향상될 수 있으나 메모리와 캐시 데이터 사이의 불일치 문제가 발생할 수 있다는 단점이 존재한다.

 

캐시는 명령어와 데이터의 구분 없이 모든 자료를 가져오는 일반 캐시, 명령어와 데이터를 구분하여 가져오는 특수 캐시라는 두 가지 레벨로 구분된다. CPU의 명령어 레지스터와 연결되어 있는 명령어 캐시, 데이터 레지스터와 연결되어 있는 데이터 캐시는 L1(Level 1) 캐시, 메모리와 연결되어 있는 일반 캐시는 L2 캐시라고 부른다.

 

저장장치의 계층 구조

하드디스크 대신 SSD 같은 빠른 저장장치를 사용하거나 캐시의 크기를 크게 늘려 캐시 적중률을 높이는 등의 방법으로 컴퓨터의 성능을 향상할 수 있다. 하지만, 이런 방식은 비용이 많이 들기 때문에 가격과 컴퓨터 성능 사이의 타협점으로 저장장치의 계층 구조가 존재한다.

 

저장장치의 계층 구조는 속도가 빠르고 값이 비싼 저장장치를 CPU와 가까운 쪽에 두고, 값이 싸고 용량이 큰 저장장치를 먼 쪽에 배치하여 적당한 가격으로 빠른 속도와 큰 용량을 동시에 얻는 방법이다.

 

 

폴링과 인터럽트

입출력장치는 데이터를 입력받거나 출력할 때 사용되는 외부 장치이다. 컴퓨터의 필수 장치인 CPU와 메인 메모리 외의 장치를 외부 장치라고 한다. 입출력장치의 예로는 키보드, 모니터, 마우스, 저장장치(HDD, SSD) 등이 있다. CPU가 입출력장치와 상호작용하는 두 가지 방법이다.

 

폴링

CPU가 직접 하드웨어 장치를 주기적으로 확인하는 방식으로 초기 컴퓨터 시스템에서 사용되었다. CPU가 하드웨어 장치에 데이터를 요청하고, 하드웨어 장치는 데이터를 반환한다. 이 과정은 계속해서 반복된다. 하드웨어 장치가 데이터를 반환하기 전까지는 CPU가 다른 작업을 수행하지 못하므로, 효율성이 떨어진다.

(폴링은 비단 운영체제에서만 통용되는 워딩이 아니다. 따라서, 무언가를 주기적으로 확인하느라 다른 작업을 수행하지 못하는 방식이라고 이해하면 다른 곳에서 사용될 때 쉽게 이해할 수 있을 것이다.)

 

인터럽트

하드웨어 장치가 CPU에게 작업을 알리는 방식이다. 하드웨어 장치는 작업이 완료되면 인터럽트 신호를 생성하여 CPU에게 알린다. CPU는 이 신호를 받으면 현재 작업을 중단하고, 하드웨어 장치의 요청에 응답한다. 이 방식에서는 하드웨어 장치가 작업을 완료하기 전까지 CPU는 다른 작업을 수행할 수 있으므로, 효율성이 높다. 인터럽트 신호는 작업이 완료되었다는 신호뿐만 아니라 컴퓨터 강제 종료, 메모리 영역 침범 같은 오류 상황의 신호로도 사용된다.

 

또한, 효율적으로 인터럽트 방식을 사용하기 위해 인터럽트 번호와 인터럽트 벡터라는 것을 사용한다. 인터럽트 번호는 많은 입출력장치 중 어떤 것의 작업이 끝났는지를 CPU에 알려주기 위해 사용하는 번호이고 인터럽트 벡터는 여러 개의 입출력 작업을 한 번에 처리하기 위해 여러 개의 인터럽트를 하나의 배열로 만든 것이다.

 

다음은 인터럽트 방식을 사용하기 위해 생겨난 여러 가지 방식들이다.

 

직접 메모리 접근

인터럽트 방식을 사용하기 시작하면서 CPU가 아닌 입출력 관리자가 데이터 입출력을 맡게 되었다. 따라서, 입출력이 필요할 때 CPU는 입출력 관리자에게 입출력 요청을 보내고 자신은 하던 일을 계속한다. 입출력 관리자는 CPU가 요청한 데이터를 메모리에 가져다 놓아야 하는데 메모리는 CPU만 접근 권한을 가진 작업 공간이라 입출력 관리자는 접근이 불가하다. 따라서 입출력 관리자에게는 CPU의 허락 없이 메모리에 접근할 수 있는 권한이 필요한데, 이것을 직접 메모리 접근(DMA)라고 한다.

 

메모리 맵 입출력

직접 메모리 접근으로 인해 메모리에는 CPU가 사용하는 데이터와 입출력장치가 사용하는 데이터가 섞여 있게 된다. 이에 대한 관리가 어려울 것이므로 이를 막기 위해 메모리를 CPU가 사용하는 메모리 공간과 직접 메모리 접근을 위한 공간으로 나누어 사용하는 방법이 도입되었고 이를 메모리 맵 입출력(MMIO)라고 한다.

 

 

사이클 훔치기

만약 CPU와 직접 메모리 접근이 동시에 메모리에 접근하려 한다면 어떤 일이 발생할까? 이 경우에는 CPU의 작업 속도보다 입출력장치의 속도가 느리기 때문에 보통은 CPU가 메모리 사용 권한을 양보한다. CPU 입장에서는 직접 메모리 접근이 사이클(순서)을 훔쳐간 것이 되기 때문에 이러한 상황을 사이클 훔치기(Cycle Stealing)이라고 한다.

 

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멀티 프로세서, 멀티 코어 시스템

컴퓨터의 성능을 높이기 위해 프로세서(CPU)를 여러 개 설치하여 사용하는 시스템을 멀티 프로세서 시스템이라고 부른다. 멀티 프로세서 시스템을 사용하려면 CPU를 여러 개 설치해야 하기 때문에 메인보드의 설계 변경을 비롯해 많은 변화가 필요하다. 그러나 기존 시스템을 유지한 채 멀티 프로세싱을 할 수 있게 하는 시스템이 있는데 바로 멀티 코어 시스템이다. 멀티 코어 시스템은 하나의 CPU 칩에 핵심이 되는 코어를 여러 개 만들어 여러 작업을 동시에 처리할 수 있는 시스템이다. 즉, CPU 칩이 여러 개인 것이 아니라 CPU 안에 있는 코어가 여러 개인 것이다.

 

CPU 멀티 스레드

하나의 코어에서 여러 개의 명령어를 동시에 처리하는 것을 명령어 병렬 처리라고 한다. 이는 하나의 코어에서 여러 개의 스레드를 이용하는 방식이라고도 할 수 있는데, 여러 개의 스레드를 동시에 처리하는 방법을 CPU 멀티 스레드라고 한다. 스레드란 CPU가 처리할 수 있는 작업의 단위를 나타낸다.