컴퓨터 구조 및 성능 향상 학습

운영체제 및 컴퓨터 구조

• 컴퓨터 구조 및 성능 향상에 대한 학습

공지사항

• 과제: Ch.1 ~ Ch.2 연습문제 풀어보기 (제출 불필요)
• 퀴즈: 3월 24일 (월) 수업 시간에 진행 (약 20분), 객관식 또는 단답형으로 연습문제 기반 출제

학습 목표

• 컴퓨터를 구성하는 하드웨어의 특성 이해
• CPU와 메모리의 구성 및 동작 방식 이해
• 컴퓨터 성능 향상 기술 및 멀티 프로세싱에 대한 이해

학습 내용

• 컴퓨터의 기본 구성 요소
• CPU와 메모리의 역할 및 중요성
• 컴퓨터 성능을 개선하는 기술
• 멀티 프로세싱의 개념 및 작동 원리

1. 컴퓨터의 기본 구성

하드웨어 (H/W)

• 컴퓨터에서 정보의 입력, 처리, 저장이 실제로 이루어지도록 지원하는 물리적 실체

소프트웨어 (S/W)

• 정보 처리의 종류를 지정하고 정보 이동 방향을 결정하는 명령어 집합

컴퓨터의 필수 장치

• 중앙처리장치 (CPU): 데이터 연산 및 제어
• 메인 메모리: 프로그램 실행에 필요한 데이터 저장
• 주변장치: 입출력 장치, 저장 장치 등

중앙 처리 장치 (CPU)

• 명령어 실행의 핵심 장치
• 산술 논리 연산 장치 (ALU): 산술 및 논리 연산 수행
• 제어 장치 (CU): 명령어 해독 및 장치 제어 신호 생성
• 레지스터: CPU 내부의 고속 임시 기억 장치

메모리 (Memory)

• 작업에 필요한 프로그램과 데이터를 저장하는 장소, 휘발성 기억 장치 사용
• 고속 액세스 가능, 보조 기억 장치보다 고가

저장 장치 (보조 기억 장치)

• 메모리보다 느리지만 용량이 크고 저렴
• 전원 상태와 무관하게 데이터 영구 저장
• 종류: 자성 이용 장치, 레이저 이용 장치, 메모리 이용 장치 등

입출력 장치

• 입력 장치: 키보드, 마우스, 스캐너 등 외부 데이터 입력
• 출력 장치: 프린터, 모니터, 스피커 등 처리 결과 출력

메인보드

• CPU, 메모리 등 부품 연결, 장치 간 데이터 통로 제공
• 버스(bus): 데이터가 지나다니는 통로
• 그래픽, 사운드, 랜카드 기본 장착 및 성능 향상을 위한 별도 장착 가능

1-2. 폰 노이만 구조

• 메모리에서 명령어를 인출하여 실행
• CPU 내 제어 장치가 명령어를 해독하고 ALU 및 관련 장치에 제어 신호를 전달
• ALU는 명령어를 실행 후 결과를 레지스터나 메모리에 저장

요리사 모형 비유

• 요리사(CPU), 도마(메모리), 보관 창고(저장장치)
• CPU는 저장장치의 재료를 메모리로 가져와 요리
• 메모리는 핵심 작업 공간, 저장장치는 보조 공간

메인 메모리 크기와 컴퓨터 속도

• 메인 메모리(도마)가 작으면 재료를 자주 옮겨야 하므로 속도 저하
• 도마가 충분히 크면 작업 속도에 영향 미미

1-3. 기초 용어 정리

데이터 표시 단위

• 비트(b): 0 또는 1
• 바이트(B): 8비트

단위환산

• k 또는 K (kilo-): 1,024
• M (mega-): 1,048,576
• G (giga-): 1,073,741,824
• T (tera-): 1,099,511,627,776
• P (peta-): 1,125,899,906,842,624
• E (exa-): 1,152,921,504,606,846,976
• Z (zetta-): 1,180,591,620,717,411,303,424
• Y (yotta-): 1,208,925,819,614,629,174,706,176

클록 (Clock)과 헤르쯔 (Hz)

• 클록: 컴퓨터의 일정한 박자 생성기
  • 펄스(Pulse): 클록에 의해 생성되는 틱(tick)
• 일정 간격에 맞춰 컴퓨터 부품 작업 진행
  • CPU는 클록 한 번에 한 번의 덧셈, 메모리도 클록이 발생할 때마다 데이터 액세스
• 헤르쯔 (Hz): 클록 또는 CPU 성능 단위
• 1초 동안 몇 번의 펄스(클록 틱)가 발생하는지 나타냄

시스템 버스와 CPU 버스

• 시스템 버스: 메모리와 주변 장치 연결, FSB(Front-Side Bus) 또는 전면 버스
• CPU 버스: CPU 내부 장치 연결, BSB(Back Side Bus) 또는 후면 버스
• BSB 속도: CPU 클록과 동일, FSB보다 훨씬 빠름

프로그래밍과 프로그래밍 언어

• 프로그래밍: 컴퓨터 프로그램 제작
• 프로그래밍 언어: 프로그램 제작에 사용

프로그래밍 언어 종류

• 기계어: 0과 1로 구성, 컴퓨터 직접 이해
• 어셈블리어: 기계어의 문자 표현, 저급 언어
• 고급 언어: 사람이 이해 가능한 단어 기반, C, Java, Python 등

컴파일 (Compile)

• 고급 언어를 기계어로 번역하는 과정

컴파일러 (Compiler)

• 컴파일을 담당하는 프로그램, 소스 코드를 기계어로 번역하여 실행 파일 생성
• 인터프리터(Interpreter): 소스 코드를 한 번에 한 문장씩 번역 및 실행

자료 구조

• 큐(Queue): FIFO(First-In, First-Out), 먼저 들어온 데이터 먼저 처리
• 스택(Stack): LIFO(Last-In, First-Out), 나중에 들어온 데이터 먼저 처리
• 배열(Array): 동일 자료형 연속 저장, 삽입/삭제 어려움
• 연결 리스트(Linked List): 포인터로 연결, 삽입/삭제 용이

2. CPU와 메모리

2-1. CPU의 구성과 동작

• ALU (Arithmetic and Logic Unit): 산술 및 논리 연산 수행
• CU (Control Unit): 명령어 해독 및 제어 신호 생성
• Register: 고속 임시 기억 장치

CPU 명령어 처리 과정

• 덧셈 과정 예시: 메모리의 두 수를 더하여 저장

덧셈 과정

• int D2 = 20;: //메모리 100번지가 D2로 가정
• int D3 = 30;: //메모리 120번지가 D3로 가정
• int sum;: //메모리 160번지가 sum으로 가정
• sum = D2 + D3;

어셈블리어 변환

• LOAD mem(100), register 2: //메모리 100번지(D2) 내용을 R2로 이동
• LOAD mem(120), register 3: //메모리 120번지(D3) 내용을 R3로 이동
• ADD register 5, register 2, register 3: //R2와 R3를 더한 후 R5에 임시 저장 MOVE register 5, mem(160): //R5의 결과를 160번지 (sum)에 저장

CPU 명령어 처리 과정 구성

• 인출(Fetch): 메모리에서 명령어 가져오기
• 해독(Decode): 명령어 해석
• 실행(Execute): 명령어 실행

CPU 명령어 처리 관련 레지스터

• MAR (Memory Address Register): 메모리 주소 저장
• MBR (Memory Buffer Register): 메모리 데이터 임시 저장
• PC (Program Counter): 실행할 명령어 주소 저장
• IR (Instruction Register): 실행 중인 명령어 저장
• AC (Accumulator): 연산 결과 누적 저장

인출 과정

• PC 값이 MAR로 전달, 해당 주소의 명령어가 MBR을 통해 IR에 로드
• PC는 다음 명령어 주소로 업데이트

해독 과정

• CU가 IR의 명령어를 해독, 필요한 데이터 위치 파악

실행 과정

• 해독된 명령에 따라 데이터 이동, 연산 수행, 결과 저장
• 제어장치는 MBR의 값을 레지스터2 로 이동

버스의 종류

• 제어 버스: CPU가 메모리/주변 장치 제어 (양방향)
• 주소 버스: 메모리/주변 장치 주소 전송 (단방향)
• 데이터 버스: 데이터 전송 (양방향)

2-2. 메모리의 종류와 부팅

메모리 종류

• RAM (Random Access Memory) 임의 주소에 빠르게 접근, 휘발성
• ROM (Read-Only Memory) 비휘발성, 읽기 전용

휘발성 메모리

• DRAM: 커패시터 기반, 재충전 필요, 메인 메모리에 사용
• SRAM: 플립플롭 기반, 전원 공급 시 데이터 유지, 캐시에 사용

ROM

• 마스크 롬 (mask ROM) 데이터 지우기/쓰기 불가
• PROM (Programmable ROM) 한 번만 저장 가능
• EPROM (Erasable Programmable ROM) 여러 번 쓰기/지우기 가능
• EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) 비휘발성, 전기적 신호로 빠르게 데이터 처리
• 플래시 메모리 (Flash Memory) 디지털 카메라, MP3 플레이어, USB 등에 사용
• SSD 빠른 데이터 접근 속도, 저전력, 높은 내구성

메모리 보호

• 사용자 영역 침범 방지, 시분할 환경에서 작업 공간 분리
• 한계 레지스터: CPU가 현재 진행중인 경계 및 크기를 레지스터에 저장
• 보호: 운영체제가 중단된 동안 CPU가 하드웨어 레벨에서 보호

부팅 과정

• 컴퓨터 전원 켜짐 -> 운영체제를 메모리에 로드하는 과정
• 마스터 부트 레코드 (MBR): 하드 디스크 첫 번째 섹터에 부트스트랩 코드 저장
• 부트스트랩 (로더): 운영체제 실행에 필요한 작은 코드, 하드 디스크에서 운영체제를 메모리로 가져와 실행

3. 컴퓨터 성능 향상 기술

버퍼 (Buffer)

• 일정량의 데이터를 모아 한 번에 전송, 속도 차이 완화
• HDD 메모리 버퍼, 네트워크 버퍼 등에 사용

스풀 (SPOOL: Simultaneous Peripheral Operation On-line)

• CPU와 입출력 장치의 독립적 동작을 위한 소프트웨어 버퍼
• 예: 프린터 스풀러

캐시 (Cache)

• CPU와 메모리 간 속도 차이 완화, 자주 사용하는 데이터 임시 저장
• CPU가 사용할 데이터 미리 저장

캐시 구조 관련 용어

• 캐시 히트(cache hit): 캐시에서 원하는 데이터 발견
• 캐시 미스(cache miss): 캐시에 데이터 없음, 메모리에서 찾음
• 캐시 적중률(cache hit ratio): 약 90% 수준

캐시 적중률 향상

• 캐시 크기 증가
• 지역성 활용: 가까운 데이터 사용 빈도 높음
• 교체 알고리즘, 블록 크기 등

캐시 쓰기 방식

• 즉시 쓰기(write through): 캐시 변경 즉시 메모리 반영, 안전하지만 성능 저하
• 지연 쓰기(write back): 변경 내용 모아 주기적 반영, 성능 향상, 데이터 불일치 가능

캐시 종류

• L1 캐시: CPU 레지스터와 직접 연결, 명령어/데이터 분리
• L2 캐시: 메모리와 연결, 일반 캐시

3-2. 저장 장치의 계층 구조

• 가격, 속도, 용량 고려, 최적의 조합 구성
• 빠르고 비싼 장치 CPU 가까이, 느리고 저렴한 장치 멀리 배치

이점

• CPU는 레지스터나 캐시에 빠르게 접근
• 메모리 내용은 저렴한 하드 디스크에 영구 저장

단점

• 데이터 일관성 문제 (지연 쓰기)

3-3. 인터럽트

폴링 (Polling)

• CPU가 직접 입출력 장치 관리, 효율성 감소

인터럽트 (Interrupt)

• 입출력 관리자가 입출력 처리, CPU는 다른 작업 수행, 시스템 효율 증가

인터럽트 동작 방식

• CPU가 입출력 관리자에 요청, 관리자가 데이터 전송 후 CPU에 완료 보고

추가 관련 용어

• 인터럽트 번호 (IRQ): 작업 종료 알림
• 인터럽트 벡터: 인터럽트 처리 주소 정보 배열

DMA (Direct Memory Access)

• 입출력 관리자가 CPU 개입 없이 메모리 접근 가능, 사이클 훔치기 발생 시 CPU가 양보

4. 멀티 프로세싱

단일 프로세서 시스템 (Single Processor System)

• 하나의 프로세서가 작업 처리, CPU 클록 향상에 한계

멀티 프로세서 시스템 (Multi Processor System)

• 여러 프로세서가 작업 처리, 레지스터와 캐시 공유, 메인 메모리 공유, 보드 설계 복잡

성능 향상하는 방법

• 클록 속도 향상(높은 발열을 동반)
• 파이프라이닝(명령어를 여러 단계로 나누어 병렬적으로 처리)
• 슈퍼스칼라(특정 기능의 장치를 추가하여 성능을 높임)
• 멀티 스레딩(하나의 코어에서 여러 개의 스레드를 동시에 처리)
• 멀티코어 프로세서(하나의 칩에 여러 개의 코어를 집적)

4-2. CPU 병렬 처리

파이프라이닝 (Pipelining)

• 명령어 처리 단계 분할, 병렬 실행

슈퍼 스칼라 (Super Scalar)

• 명령어 병렬 처리, 특정 기능 장치 활용

멀티 스레딩 (Multi Threading)

• 하나의 CPU 코어가 다중 스레드 처리, 자원 공유

멀티 코어 (Multi-core)

• 하나의 칩에 여러 코어 집적, 병렬 처리 능력 향상