혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제

아래 내용은 혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제를 읽고 정리한 내용입니다.

명령어는 연산 코드와 오퍼랜드로 구성됩니다.
연산 코드는 명령어가 수행할 연산을 의미합니다.
오퍼랜드는 연산에 사용할 데이터 또는 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치를 의미합니다.
주소 지정 방식은 연산에 사용할 데이터 위치를 찾는 방법입니다.

ALU는 레지스터로부터 피연산자를 받아들이고, 제어장치로부터 제어 신호를 받아들입니다.
ALU는 연산 결과와 플래그를 내보냅니다.
제어장치는 클럭, 현재 수행할 명령어, 플래그, 제어 신호를 받아들입니다.
제어장치는 CPU 내부와 외부로 제어 신호를 내보냅니다.

프로그램 카운터는 메모리에서 가져올 명령어의 주소, 명령어 레지스터는 해석할 명령어를 저장합니다.
메모리 주소 레지스터는 메모리의 주소, 메모리 버퍼 레지스터는 메모리와 주고받을 데이터를 저장합니다.
범용 레지스터는 데이터와 주소를 모두 저장하고, 플래그 레지스터는 연산 결과 혹은 CPU 상태에 대한 부가 정보를 저장합니다.
스택 포인터는 스택 최상단의 위치를 저장합니다.
베이스 레지스터에 저장된 주소는 기준 주소로서의 역할을 합니다.

명령어 사이클은 하나의 명령어가 처리되는 주기로, 인출, 실행, 간접, 인터럽트 사이클로 구성되어 있습니다.
인터럽트는 CPU의 정상적인 작업을 방해하는 신호입니다.
인터럽트의 종류에는 예외와 하드웨어 인터럽트가 있습니다.
인터럽트 서비스 루틴은 인터럽트를 처리하기 위한 동작들로 이루어진 프로그램입니다.

클럭 속도가 높은 CPU는 빠르게 작동합니다.
코어란 CPU 내에서 명령어를 실행하는 부품입니다.
멀티코어 프로세서란 여러 개의 코어를 포함하는 CPU를 말합니다.
스레드에는 하드웨어적 스레드와 소프트웨어적 스레드가 있습니다.
멀티스레드 프로세서란 하나의 코어로 여러 개의 명령어를 동시에 실행할 수 있는 CPU를 말합니다.

명령어 파이프라이닝은 동시에 여러 개의 명령어를 겹쳐 실행하는 기법입니다.
슈퍼스칼라는 여러 개의 명령어 파이프라인을 두는 기법입니다
비순차적 명령어 처리 기법은 파이프라인의 중단을 방지하기 위해 명령어를 순차적으로 처리하지 않는 기법입니다.

ISA(Instruction Set Architecture)는 CPU의 언어이자 하드웨어가 소프트웨어를 어떻게 이해할지에 대한 약속입니다.
CISC(Complex Instruction Set Computer)는 복잡하고 다양한 종류의 가변 길이 명령어 집합을 활용합니다.
- 프로그램을 이루는 명령어의 수가 적음
- 여러 클럭에 걸쳐 명령어 수행
- 파이프라이닝하기 어려움
- 인텔
RISC(Reduced Instruction Set Computer)는 단순하고 적은 종류의 고정 길이 명령어 집합을 활용합니다.
- 프로그램을 이루는 명령어의 수가 많음
- 1클럭 내외로 명령어 수행
- 파이프라이닝하기 쉬움
- ARM 아키텍처
- 메모리 절약

RAM은 휘발성 저장 장치이고, 보조기억장치는 비휘발성 저장 장치입니다.
DRAM은 시간이 지나면 저장된 데이터가 점차 사라지는 RAM이고, SRAM은 시간이 지나도 저장된 데이터가 사라지지 않은 RAM입니다.
SDRAM은 클럭과 동기화된 DRAM입니다.
DDR SDRAM은 SDR SDRAM에 비해 대역폭이 두 배 넓습니다.

물리 주소는 메모리 하드웨어상의 주소이고, 논리 주소는 CPU와 실행 중인 프로그램이 사용하는 주소입니다.
MMU는 논리 주소를 물리 주소로 변환합니다.
베이스 레지스터는 프로그램의 첫 물리 주소를 저장합니다.
한계 레지스터는 실행 중인 프로그램의 논리 주소의 최대 크기를 저장합니다.

저장 장치 계층 구조는 각기 다른 용량과 성능의 저장 장치들을 계층화하여 표현한 구조입니다.
캐시 메모리는 CPU의 연산 속도와 메모리 접근 속도의 차이를 줄이기 위한 저장 장치입니다.
캐시 적중률이 높으면 CPU의 메모리 접근 횟수를 줄일 수 있습니다.
캐시 메모리는 참조 지역성의 원리(시간 지역성, 공간 지역성)에 따라 데이터를 예측하여 캐시 적중률을 높입니다.

하드 디스크의 구성 요소는 플래터, 스핀들, 헤드, 디스크 암이 있습니다.
플래터는 트랙과 섹터로 나뉘고, 여러 플래터의 동일한 트랙이 모여 실린더를 이룹니다.
하드 디스크의 데이터 접근 시간은 크게 탐색 시간, 회전 지연, 전송 시간으로 나뉩니다.
플래시 메모리는 한 셀에 몇 비트를 저장할 수 있느냐에 따라 SLC, MLC, TLC로 나뉩니다.
플래시 메모리의 읽기와 쓰기는 페이지 단위로, 삭제는 블록 단위로 이루어집니다.

RAID란 데이터의 안전성 혹은 높은 성능을 위해 여러 하드 디스크나 SSD를 마치 하나의 장치처럼 사용하는 기술입니다.
RAID 0은 데이터를 단순히 병렬로 분산하여 저장하고, RAID 1은 완전한 복사본을 만듭니다.
RAID 4는 패리티를 저장한 장치를 따로 두는 방식이고, RAID 5는 패리티를 분산하여 저장하는 방식입니다.
RAID 6는 서로 다른 두 개의 패리티를 두는 방식입니다.

입출력장치는 장치 컨트롤러를 통해 컴퓨터 내부와 정보를 주고 받습니다.
보조기억장치가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받는 방식은 입출력장치와 크게 다르지 않습니다.
장치 드라이버는 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램입니다.

프로그램 입출력은 프로그램 속 명령어로 입출력 작업을 하는 방식입니다.
- CPU가 장치 컨트롤러의 내부 레지스터(데이터 레지스터, 상태 레지스터, 제어 레지스터)를 알 수 있는 방법은 아래와 같이 2가지가 존재합니다.
- 메모리 맵 입출력은 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력 장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 입출력 방식입니다.
- 고립형 입출력은 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 별도로 분리하는 입출력 방식입니다.
인터럽트 기반 입출력은 인터럽트로써 입출력을 수행하는 방법입니다.
DMA 입출력은 CPU를 거치지 않고 메모리와 입출력장치 간의 데이터를 주고받는 입출력 방식입니다.
입출력 버스는 입출력장치와 컴퓨터 내부를 연결 짓는 통로로, 입출력 작업 과정에서 시스템 버스 사용 횟수를 줄여줍니다.

커널은 운영체제의 핵심 기능을 담당합니다.
이중 모드는 CPU가 명령어를 실행하는 모드를 커널 모드와 사용자 모드로 구분하는 방식입니다.
시스템 호출은 운영체제의 서비스를 제공받기 위해 커널 모드로 전환하는 방법입니다.
대표적인 운영체제 서비스로 프로세스 관리, 자원 접근 및 할당, 파일 시스템 관리가 있습니다.
프로세스는 실행 중인 프로그램입니다. 프로세스의 종류에는 포그라운드 프로세스와 백그라운드 프로세스(유닉스 - 데몬, 윈도우 - 서비스)가 있습니다.
운영체제는 프로세스 제어 블록(PCB)을 통해 여러 프로세스를 관리합니다.
프로세스 간에 실행을 전환하는 것을 문맥 교환이라고 합니다.
프로세스 사용자 영역에 크게 코드 영역, 데이터 영역, 스택 영역, 힙 영역으로 나뉘어 배치됩니다.
프로세스 상태에는 생성, 준비, 실행, 대기, 종료가 있습니다.
프로세스가 다른 프로세스를 생성한 경우 프로세스를 생성한 프로세스를 부모 프로세스, 생성된 프로세스를 자식 프로세스라고 부릅니다.
많은 운영체제는 프로세스가 프로세스를 낳는 프로세스 계층 구조로 프로세스들을 관리합니다.
스레드는 프로세스 내의 실행 흐름 단위입니다.
여러 프로세스를 동시에 실행하는 것을 멀티프로세스라고 하고, 여러 스레드로 프로세스를 동시에 실행하는 것을 멀티스레드라고 합니다.

CPU 스케줄링은 공정하고 합리적으로 CPU 자원을 배분하는 방법을 의미합니다.
프로세스는 우선순위를 가지고 있고, 이는 PCB에 명시됩니다.
운영체제는 효율적인 스케줄링을 위해 스케줄링 큐를 사용합니다.
준비 큐는 CPU 할당을 기다리는 프로세스들을 위한 큐를 의미합니다.
대기 큐는 입출력장치를 기다리는 프로세스들을 위한 큐를 의미합니다.
선점형 스케줄링은 프로세스가 이용 중인 자원을 빼앗을 수 있습니다.
비선점형 스케줄링은 프로세스가 이용 중인 자원을 빼앗을 수 없습니다.
선입 선처리 스케줄링 알고리즘은 준비 큐에 삽입된 순서대로 CPU를 할당합니다.
최단 작업 우선 스케줄링 알고리즘은 준비 큐에 삽입된 프로세스들 중 CPU 사용 시간의 길이가 가장 짧은 프로세스부터 CPU를 할당합니다.
라운드 로빈 스케줄링 알고리즘은 정해진 시간만큼만 돌아가며 CPU를 할당합니다.
우선순위 스케줄링 알고리즘은 가장 높은 우선순위를 가진 프로세스에 CPU를 할당합니다.
다단계 피드백 큐 스케줄링 알고리즘은 프로세스들이 큐 사이를 이동할 수 있는 다단계 큐 스케줄링입니다.

동기화는 특정 자원에 접근할 때 한 개의 프로세스만 접근하게 하거나 프로세스를 올바른 순서대로 실행하게 하는 것을 의미합니다.
공유 자원은 공동으로 사용하는 자원으로, 전역 변수가 될 수도 있고, 파일이 될 수도 있고, 입출력장치, 보조기억장치가 될 수도 있습니다.
임계 구역은 공유 자원에 접근하는 코드 중 동시에 실행하면 문제가 발생하는 코드 영역을 의미합니다. 임계 구역에 진입한 프로세스가 있다면 다른 프로세스는 임계 구역 밖에서 기다려야 합니다.
상호 배제는 한 프로세스가 임계 구역에서 작업 중이면 다른 프로세스가 임계 구역에 들어갈 수 없도록 제어하는 것입니다.
뮤텍스 락은 임계 구역을 잠금으로써 프로세스 간의 상호 배제를 이룹니다.
세마포는 공유 자원이 여러 개 있는 임계 구역 문제도 해결할 수 있는 동기화 도구입니다.
모니터는 세마포에 비해 사용자가 사용하기 편리한 동기화 도구로 조건 변수를 사용합니다.

교착 상태는 일어나지 않을 사건을 기다리며 무한히 대기하는 현상을 의미합니다.
식사하는 철학자 문제는 교착 상태의 발생을 보여 주는 예시입니다.
자원 할당 그래프를 이용해 교착 상태를 표현할 수 있습니다.
교착 상태 발생 조건은 상호 배제, 점유와 대기, 비선점, 원형 대기입니다.
교착 상태 예방은 교착 상태의 발생 조건 중 하나를 충족하지 못하게 하는 방법입니다.
교착 상태 회피는 안전 상태를 유지할 수 있는 경우에만 자원을 할당하는 방법입니다.
교착 상태 검출 후 회복은 교착 상태 발생 여부를 주기적으로 검사하고, 교착 상태가 발생하면 그때그때 회복하는 방식입니다.

스와핑은 메모리에서 사용되지 않는 일부 프로세스를 보조기억장치로 내보내고 실행할 프로세스를 메모리로 들여보내는 메모리 관리 기법입니다.
프로세스를 메모리에 연속적으로 할당하는 방식은 두 가지 문제를 내포하고 있습니다. 한 가지는 외부단편화이고, 또 하나는 물리 메모리보다 큰 프로세스를 실행할 수 없다는 점입니다.
가상 메모리(virtual memory)는 실행하고자 하는 프로그램을 일부만 메모리에 적재하여 실제 물리 메모리 크기보다 더 큰 프로세스를 실행할 수 있게 하는 기술입니다.
이를 가능케 하는 기법으로 페이징이 있으며 페이징은 프로세스의 논리 주소 공간을 페이지라는 일정한 단위로 자르고, 메모리 물리 주소 공간을 프레임이라는 페이지와 동일한 크기의 일정한 단위로 자른 뒤 페이지를 프레임에 할당하는 가상 메모리 관리 기법입니다.
페이징은 외부 단편화 문제를 해결할 수 있지만, 내부 단편화라는 문제를 야기할 수 있습니다. 페이징은 프로세스의 논리 주소 공간을 페이지라는 일정한 크기 단위로 자르는데 모든 프로세스가 페이지 크기에 딱 맞게 잘리는 것이 아니며 가령 페이지 크기가 10KB인데, 프로세스의 크기가 108KB라고 한다면 마지막 페이지는 2KB만큼의 크기가 남으며 이러한 메모리 낭비를 내부 단편화라고 합니다.
최초 적합 방식은 최초로 발견한 적재 가능한 빈 공간에 프로세스를 배치하는 방식입니다.
최적 적합 방식은 프로세스가 적재될 수 있는 가장 작은 공간에 프로세스를 배치하는 방식입니다.
최악 적합 방식은 프로세스가 적재될 수 있는 가장 큰 공간에 프로세스를 배치하는 방식입니다.
외부 단편화는 프로세스를 할당하기 어려울 만큼 작은 메모리 공간들로 인해 메모리가 낭비되는 현상을 의미합니다.
페이징은 물리 주소 공간을 프레임 단위로 자르고 프로세스의 논리 주소 공간을 페이지 단위로 자른 뒤 각 페이지를 프레임에 할당하는 가상 메모리 관리 기법입니다.
페이지 테이블을 통해 페이지가 적재된 프레임을 찾을 수 있습니다. 페이지 테이블에는 페이지 번호와 프레임 번호뿐 아니라 유효 비트, 보호 비트, 접근 비트, 수정 비트 등이 있습니다.
PTBR(페이지 테이블 베이스 레지스터)은 각 프로세스의 페이지 테이블이 적재된 주소를 가리킵니다.
TLB(Translation Lookaside Buffer)는 페이지 테이블의 캐시 메모리 역할을 수행하기 위해 페이지 테이블의 일부를 저장합니다.
요구 페이징은 페이지가 필요할 때에만 메모리에 적재하는 기법입니다.
페이지 교체 알고리즘에는 FIFO, 최적(이론상), LRU 페이지 교체 알고리즘 등이 있습니다.
스래싱이란 지나치게 빈번한 페이지 교체로 인해 CPU 이용률이 낮아지는 문제를 뜻합니다.
프레임 할당 방식에는 균등 할당과 비례 할당, 작업 집합 모델 기반과 페이지 폴트율 기반 프레임 할당 방식이 있습니다.
정적 방식 - 균등 할당, 비례 할당, 동적 방식(프로세스 실행) - 작업 집합 모델, 페이지 폴트율 기반

파티셔닝은 하드 디스크나 SSD처럼 용량이 큰 저장 장치를 하나 이상의 논리적인 여러 단위로 구획하는 작업을 의미합니다.
포매팅이란 파일 시스템을 설정하여 어떤 방식으로 파일을 저장하고 관리할 것인지를 결정하고, 새로운 데이터를 쓸 수 있게 하는 작업을 의미합니다.
연속 할당은 보조기억장치 내 연속적인 블록에 파일을 할당하는 방식입니다.
연결 할당은 각 블록 일부에 다음 블록의 주소를 저장하여 블록들을 연결 리스트 형태로 관리하는 방식입니다. (FAT)
색인 할당은 파일의 모든 블록 주소를 색인 블록에 모아 관리하는 방식입니다. (유닉스)
불연속 할당 - 연결 할당, 색인 할당
FAT 파일 시스템은 FAT(File Allocation Table)를 이용하는 연결 할당 기반의 파일 시스템입니다.
유닉스 파일 시스템은 i-node를 이용하는 색인 할당 기반의 파일 시스템입니다.