컴퓨터 기본/운영체제

[운영체제] 201.컴퓨터의 동작원리 - 하드웨어의 구성

coding captain 2021. 10. 15. 19:19

하드웨어의 구성

컴퓨터 시스템 주요 구성요소는 다음과 같다.

  • 프로세서
  • 버스
  • 레지스터
  • 메모리
  • 주변장치

 

프로세서

중앙처리장치(central processing unit, CPU)라고 불린다.

컴퓨터의 동작을 제어하고 연산을 수행한다.

버스(bus)

버스는 프로세서 및 각종 장치가 서로 연결되어 데이터를 주고받는 통로이다.

 

* 위치에 따른 버스 분류

내부 버스 프로세서 내부에서 레지스터, 연산장치, 메모리와의 인터페이스 등을 연결한다.
외부 버스 시스템 버스라고 부르기도 한다.
프로세서와 메모리, 프로세서와 입출력장치, 입출력장치와 입출력장치를 연결한다.
외부 버스는 독립적인 제어기를 갖고 있는데 이를 버스 제어기라고 한다.

 

* 기능에 따른 버스 분류

데이터 버스 컴퓨터 시스템에서 데이터, 명령어 등을 교환하는 통로이다.
프로세서와 메모리 혹은 프로세서와 입출력장치간 양방향으로 데이터가 오간다.
보통 데이터 버스의 신호선(주소)의 개수가 해당 프로세서의 워드[바이트]길이에 해당되는데 이것이 프로세서의 성능을 결정짓는다.
주소 버스 시스템 장치와 다른 장치간 연결통로이다. 신호선의 개수는 최대 메모리 용량을 결정한다.
제어 버스 프로세서와 저장장치와 입출력장치 간 통로이다.
현재 수행중인 작업 종류나 상태를 다른 장치에 알리게 된다.

 

레지스터

레지스터는 프로세서가 바로 사용할 수 있는 데이터를 담는 메모리이다.

프로세서에 위치해 있으며 저장장치 중에 속도가 가장 빠르다.

 

메모리

1) 메인메모리

메인메모리는 프로세서가 현재 처리하는 결과를 저장하는 공간이다. 메모리는 각각이 고유한 주소를 갖는 배열로 이루어지는데 각종 프로그램의 작업결과를 담기위해 큰 규모를 갖는다. 명령을 받으면 메인메모리는 요청된 주소에 데이터를 쓰거나 읽어들이게 된다.

 

* 물리적 주소와 논리적 주소

메모리에는 각 위치마다 주소가 부여되는데 이를 물리적 주소라고 한다. 컴파일러가 명령어를 변환[컴파일]하면 변수와 명령어에 주소가 할당된다. 이 주소를 논리적 주소라고 하는데, 컴파일러는 이 논리적 주소를 물리적 주소로 변환해 메모리의 공간을 찾아 읽거나 쓰는 작업을 하게 된다.

 

* 메모리의 속도

메모리의 속도는 크게 접근시간과 사이클시간을 구분할 수 있다. 일반적으로 접근시간이 빠르고 사이클시간이 길다.

  • 접근 시간 : 명령에 대응하는 메모리의 주소를 찾아 해당 데이터를 읽거나 쓰는데 걸리는 시간
  • 사이클 시간 : 연속적인 메모리 동작 사이에 거릴는 최소 지연 시간이다.

 

2) 캐시

프로세서와 메모리 사이에 존재하는 완충장치다. 메모리 보다 프로세서의 속도가 압도적으로 빠르기 때문에 처리속도 차이가 큰데 캐시는 이 차이를 줄여줄 수 있다. 캐시는 메인메모리의 일부 데이터를 워드 단위로 프로세서에 전달해 정보를 전달한다. 또한 캐시는 데이터 이동통로를 확대하여 한번에 통신할 수 있는 데이터 량을 증가시켜준다.

 

워드
CPU에서 처리할 수 있는 용량을 뜻하는 단위이다.

 

프로세서는 메인메모리에 직접 접근하지 않고 캐시를 통해 접근한다. 메인메모리의 데이터를 확인할 작업이 생기면 프로세서는 캐시에 요청을 보내 해당 데이터를 갖고 있는지 확인한다. 탐색결과 데이터가 있다면 캐시는 프로세서에 해당 데이터를 전송한다. 없다면 캐시가 메인메모리에서 해당 데이터를 찾아 프로세서에 전송하게 된다.

 

캐싱기법
캐싱기법은 상대적으로 용량이 작은 저장장치를 이용해 용량이 큰 저장장치의 느린 성능을 보완하는 기법이다. 저장장치의 속도와 용량은 반비례하게 된다. 즉, 속도가 빠르면 용량은 작고, 반대로 속도가 느리면 용량이 크다. 메인메모리 보다 캐시메모리가 빠르고, 캐시메모리 보다 레지스터가 빠르다. 레지스터는 저장장치 중 가장 빠르다. 또한 속도가 빠를수록 데이터의 휘발성은 커지며, 장치를 마련하기 위한 비용은 커지게 된다. 휘발성은 데이터를 오래 보관할 수 없다는 것이다.

캐싱의 원리는 자주 사용하는 데이터를, 빠르게 접근 및 처리할 수 있는 저장공간에 마련하는 것이다. 호출이 빈번한 데이터를 선별해 빠른 저장장치에 두면 작은 저장공간으로도 나은 성능향상을 보일 수 있다.