오늘의 CS(운영체제와 컴퓨터- 컴퓨터의 요소)

컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다. 

 

CPU

CPU(Central Processing Unit)는 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치를 말하며, 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼이다. 

 

운영체제 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 일꾼인 CPU가 이를 처리한다. 

 

제어장치

제어장치(CU, Control Unit)은 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품이다. 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.

 

레지스터

레지스터는 CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치를 가리킨다. CPU와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠르다. CPU 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.

 

산술논리연산장치

산술논리연산장치(ALL, Arithmetic Logic Unit)는 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로이다.

 

CPU의 연산 처리

CPU 연산 처리

1️⃣ 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드한다. 또한 레지스터에도 로드한다.

2️⃣ 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연상장치에 명령한다. 

3️⃣ 제어장치가 계산된 값을 다시 '레지스터에서 메모리로' 계산한 값을 저장한다. 

 

 

인터럽트

인터럽트는 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말한다. 키보드, 마우스 등 입출력 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생한다.

 

인터럽트가 발생하면 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행된다. 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행되며 인터럽트는 하드웨어 인터럽트, 스프트웨어 인터럽트 두 가지로 나뉜다. 

 

하드웨어 인터럽트

하드웨어 인터럽트는 키보드를 연결한다거나 마우스를 연결하는 일 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 말한다.

이때 인터럽트 라인이 설계된 이후 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고 운영체제에 시스템콜을 요청해서 원하는 디바이스로 향해 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행한다.

 

소프트웨어 인터럽트

소프트웨어 인터럽트는 트랩이라고 한다. 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다.

 

 

DMA 컨트롤러

DMA 컨트롤러는 I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치다. CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼이라고 보면 된다. 또한, 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다. 

 

메모리

메모리는 전자회로에서 데이터나, 상태, 명렁어 등을 기록하는 장치를 말하며, 보통 RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고도 한다. CPU는 계산을 담당하고, 메모리는 기억을 담당한다. 

 

공장에 비유하자면 CPU는 일꾼이고, 메모리는 작업장이며, 작업장의 크기가 곧 메모리의 크기다. 작업장이 클수록 창고에서 물건을 많이 가져다놓고 많은 일을 할 수 있듯이 메모리가 크면 많은 일을 동시에 할 수 있다. 

 

타이머

타이머는 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할이다. 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재한다. 

 

디바이스 컨트롤러

디바이스 컨트롤러는 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 말하고 옆에 붙어 있는 로컬 버퍼는 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리이다. 

 

📚 용어 정리

1️⃣ 인터럽트 핸들러 함수: 인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수, 커널 내부의 IRQ(Interupt request lines)를 통해 호출되며 request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있다.