운영체제 교안 Chap02 컴퓨터 구조

📌 현대의 컴퓨터 시스템

📌 폰노이만 컴퓨터

: 현대 컴퓨터의 일반적 모형

> 프로그램 저장 컴퓨터 개념을 제안함 :

폰 노이만 구조에서는 먼저 연산의 수행과 관련된 명령어와, 연산에 필요하거나 결과로 나온 데이터를 저장장치(메모리)에 보관하게 되며, 순차적으로 메모리에 저장된 용을 끄집어내 지시대로 연산 수행하는 방식입니다.

 

1) 하드 디스크 > 2) 메인메모리 로드 > 3) 한줄씩 기계어 코드를 CPU에 가져가 실행

 

📌 폰 노이만 명령어 실행 사이클 : 1. 명령어 가져오기 2. 명령어 실행하기 3. 인터럽트 체크

 

📌 컴퓨터 특징

- I/O 디바이스와 CPU 동시 실행 가능

- 장치 컨트롤러는 특정 장치 유형 담당

- 각 장치 컨트롤러에는 로컬 버퍼 존재

- CPU가 메인 메모리에서 로컬 버퍼로 데이터를 이동

- I/O는 장치에서 컨트롤러의 로컬 버퍼로 이동

- 디바이스 컨트롤러가 인터럽트를 발생시켜 CPU에 작업을 완료했음을 알림 ★★

 

- 인터럽트는 일반적으로 모든 서비스 루틴의 주소를 포함하는 '인터럽트 벡터'를 통해 인터럽트 서비스 루틴으로 제어를 전송

- 인터럽트 아키텍처는 인터럽트된 명령의 주소를 저장해야한다.

- 수신된 인터럽트가 손실되지 않도록, 다른 인터럽트 처리되는 동안 수신 인터럽트 비활성화

- '트랩'은 오류 or 사용자 요청에 의해 발생하는 소프트웨어 생성 '인터럽트'이다.

- OS는 인터럽트 중심이다.

 

📌 CPU가 사건 발생을 인지하는 방법 2가지

1) 폴링: 특정 주기마다 스레드를 돌며 신호가 왔는지 확인 (소프트웨어적)

> 계속 확인해서 리소스 많이 먹고, 특정 주기마다 확인해 정확한 타이밍에 시그널을 확인하지 못해 주기에 따른 오차 있음. 

> 장점 : 구현 쉽고 우선순위 변경 용이

 

2) 인터럽트: 신호 사용. 인터럽트 발생 시 CPU에 신호를 보내 알려줌 (하드웨어적)

> 인터럽트 발생 시에만 처리하여 시스템 부하 적음. 

> 구현 복잡, but 정확한 타이밍 알아 반응 시간 빠름

 

★ 인터럽트 시퀀스

: 프로그램 실행 > 인터럽트 요청 > 프로그램 중단(수행중인 명령 완료하고 PC,SR 저장) > 인터럽트 서비스 루틴 처리 (인터럽트 벡터를 이용하여 주소 접근) > 프로그램 재시작 (프로그램 카운터를 통하여 접근)

 

📌 인터럽트의 종류

• 하드웨어 인터럽트(외부) : 일반적으로 말하는 인터럽트, 비동기식
• 소프트웨어 인터럽트(내부) : 트랩이라고도하며, 예외와 시스템 콜이 있다. 

★ 예외 : 메모리 참조 오류, 0으로 나누기, Overflow, Underflow 등에서 발생하는 인터럽트

★ 시스템 콜 : 사용자가 의도적으로 일으킨 인터럽트

 

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입출력 구조

📌  입출력 과정

1. CPU가 장치 제어기의 레지스터에 원하는 명령어 적재
2. 장치 제어기가 동작 결정
3. 장치 제어기 자료 전송 : 장치 > 로컬버퍼 (read 경우)
4. read 완료 통보 (인터럽트!)
5. CPU가 자료를 장치제어기의 로컬버퍼로부터 가져옴

 

📌 Synchronous(동기, 차례로) VS Asynchronous(비동기, 동기)

 

 * Synchronous

  : 입출력이 다 끝나야 control 돌아옴

• 다음 인터럽트 발생까지 CPU 유휴 상태

 * Asynchronous

  : 입출력 끝나길 기다리지 않고 control이 돌아옴

• 상태 테이블에 각 입출력 장치 유형/주소/상태를 나타내는 항목 있음
• I/O 장치 테이블에 인덱싱하여 장치 상태를 확인하고, 인터럽트를 포함하도록 테이블 항목 수정

 

📌 DMA Structure

•  메모리 속도에 가까운 속도로 정보를 전송할 수 있는 고속 입출력 장치에 사용됨
• 장치 컨트롤러가 버퍼 저장소의 데이터 블록을 CPU 없이 메인 메모리로 직접 전송한다.

    ★ DMA(직접 메모리 접근) : 로컬 버퍼에서 메모리로 읽어오는 작업을 CPU 없이 하는 것

 

📌 Cycle Stealing

• DMA 전송시간 중에 CPU와 Memory는 데이터를 상호 전송할 수 없으므로, CPU의 버스는 HOLD 상태에 있게됨
• CPU 동작 시 메모리와 관계 없는 cycle에만 DMA 수행

 

📌 메인 메모리

• CPU가 직접 액세스할 수 있는 대용량 저장 미디어만 해당
• memory- mapped I/O : CPU의 입출력 장치 접근 시, 입출력과 메모리의 주소 공간을 분리하지 않고 하나의 메모리 공간에 취급하여 배치하는 방식, 메모리 주소의 일정 범위를 장치 레지스터로 연계시킴
• 메인 메모리와 CPU 간의 큰 속도 차 > CPU stall > 둘 사이에 고속의 메모리 버퍼 사용 (Cache)

📌 Secondary Storage

– 대용량 비휘발성 저장 용량을 제공하는 기본 메모리의 확장
– 자기 디스크
• 자기 기록 재료로 덮인 단단한 금속 또는 유리 플래터
• 실린더,트랙, 섹터, 측면->50파운드
• 호스트 컨트롤러(컴퓨터), 디스크 컨트롤러(하드디스크)
– 자기 테이프

하드 디스크 구조

📌 Disk Access Time

: 원하는 섹터까지 가는 시간

 

★ Access Time

= Seek Time(실린더에 헤드 위치시키는 시간) + Rotatioinal Latency(회전 지연 시간) + Transfer Time(섹터에서 읽는 시간)