컴퓨터 하드웨어의 구성(프로세서, 메모리, 시스템 버스, 주변장치)

컴퓨터 시스템  = 하드웨어 + 소프트웨어

 

우리가 흔히 사용하는 컴퓨터 시스템은 하드웨어와 소프트웨어로 구성된다.

하드웨어는 운영체제라는 특별한 소프트웨어를 통해 관리되는데, 그렇기 때문에 운영체제를 이해하기 위해서는 하드웨어가 어떻게 구성되어 있는지에 대해 우선적으로 잘 알고 있어야 한다.

 

컴퓨터 하드웨어는 크게 프로세서, 메모리, 주변장치로 구성되며, 시스템 버스가 이 장치들을 연결해 준다.

 

 

 

1. 프로세서

중앙처리장치(CPU)라고도 불리는 프로세서는 컴퓨터의 모든 장치의 동작을 제어하고 명령을 실행한다. 제어 부분인 제어장치와 데이터 부분인 연산장치, 레지스터로 구성된다.

프로세서의 수가 많을수록 처리 속도는 빠르다. 탑재된 프로세서의 개수에 따라 싱글코어, 듀얼코어, 쿼드코어 등으로 불린다.

 

레지스터의 분류

• 용도에 따른 분류: 전용 레지스터, 범용 레지스터
• 사용자의 정보 변경 가능 여부에 따른 분류: 사용자 가시 레지스터, 사용자 불가시 레지스터
• 저장 정보의 종류에 따른 분류: 데이터 레지스터, 주소 레지스터, 상태 레지스터

 

 

 

 

2. 메모리

1950~1960년대 너무 비싼 메인 메모리의 가격 문제 때문에 제안된 방법으로, 비용, 속도, 용량이 각기 다른 메모리들을 상호 보완하여 사용함으로써 시스템의 성능을 향상하는 메모리 계층 구조를 형성하였다.

메모리 계층 구조

 

1) 레지스터

프로세서 내부에 있으며, 프로세서가 사용할 데이터를 보관하는 가장 빠른 메모리

 

2) 캐시

• 프로세서 내부나 외부에 있으며, 프로세서와 메인 메모리의 속도 차이를 보완하는 고속 버퍼
• 메인 메모리에서 데이터를 블록 단위로 가져와서 프로세서에 워드 단위로 전달하여 속도를 높인다.
• 프로세서로 데이터를 이동할 때에는 대역폭을 더 확대하여 속도 차이를 줄인다.
• 프로세서가 캐시를 참조했는데 원하는 정보가 있다면 캐시 히트, 없다면 캐시 미스라고 한다.
• 시간적 지역성과 공간적 지역성의 특징으로 인해 성능이 좋다.

< 시간적 지역성과 공간적 지역성의 발생 이유 >
- 프로그램은 명령어를 순차적으로 실행하는 경향이 있어 명령어들은 특정 지역 메모리에 인접해 있다.
- 순환으로 인해 메모리는 일부 영역만을 참조한다.
- 주로 컴파일러는 메모리에 인접한 블록에 배열로 저장되기 때문에 지역적인 배열 접근 경향이 있다.

 

3) 메인 메모리

• 주기억장치 또는 1차 기억장치라고도 한다.
• 프로세서 외부에 있으며, 프로세서에서 즉각적으로 수행할 프로그램과 데이터를 저장하거나 프로세서에서 처리한 결과를 저장한다.
• 저장 밀도가 높고 가격이 싼 DRAM을 많이 사용한다.
• 다수의 셀(cell)로 구성되며, 각 셀은 비트로 구성된다. 셀이 k비트로 구성된다면 셀에 2^k 값을 저장 가능하다.

 메모리 매핑(사상)
: 컴파일로 논리적 주소를 물리적 주소로 변환하는 과정
 메모리 속도
: 메모리 접근 시간과 메모리 사이클 시간으로 표현, 데이터는 접근 후 메모리 버퍼 레지스터에 저장한다.

 

4) 보조기억장치

주변장치에 속하며, 2차 기억장치 또는 외부기억장치라고도 불린다.

 

 

 

3. 시스템 버스

시스템 버스의 종류

 

하드웨어를 물리적으로 연결하여 서로 데이터를 주고받을 수 있게 하는 통로이다.

기능에 따라 데이터 버스, 주소 버스, 제어 버스로 구분된다.

 

 

 

4. 주변 장치

프로세서와 메인 메모리를 제외한 나머지 하드웨어 구성 요소들이다.

크게 입력장치, 출력장치, 저장장치로 구분된다.

 

 

 

 

 

 

출처) 그림으로 배우는 구조와 원리 운영체제(구현회 지음)