1. 컴퓨터의 구성
컴퓨터 시스템은 크게 하드웨어와 소프트웨어로 나누어진다.
하드웨어 : 컴퓨터를 구성하는 기계적 장치
소프트웨어 : 하드웨어의 동작을 지시하고 제어하는 명령어 집합
1 - (1) 하드웨어
- 중앙처리장치(CPU)
- 기억장치 (RAM, HDD)
- 입출력 장치 : 마우스, 프린터
하드웨어는 중앙처리장치(CPU), 기억장치, 입출력장치로 구성되어 있다.
이들은 시스템 버스로 연결되어 있으며, 시스템 버스는 데이터와 명령 제어 신호를 각 장치로 실어나르는 역할을 한다.
(1) - 1 중앙처리장치(CPU)
사람으로 따지면 두뇌에 해당하는 부분이다.
주기억장치에서 프로그램 명령어와 데이터를 읽어 처리하고 명령어의 수행 순서를 제어한다.
중앙처리장치는 비교와 연산을 담당하는 산술논리연산장치(ALU)와 명령어의 해석과 실행을 담당하는 제어장치
속도가 빠른 데이터 기억장소인 레지스터로 구성되어 있다.
개인용 컴퓨터와 같은 소형 컴퓨터에서는 CPU를 마이크로프로세서라고도 부른다
(1) - 2 기억장치
프로그램, 데이터, 연산의 중간 결과를 저장하는 장치이다.
주기억장치와 보조기억장치로 나누어지며, RAM과 ROM도 이곳에 해당된다.
실행중인 프로그램과 같은 프로그램에 필요한 데이터를 일시적으로 저장한다.
보조기억장치는 하드디스크 등을 말하며, 주기억장치에 비해 속도는 느리지만 많은 자료를 영구적으로 보관할 수 있는 장점이 있다.
(1) - 3 입출력 장치
입력과 출력 장치로 나누어진다.
입력 장치는 컴퓨터 내부로 자료를 입력하는 장치로 키보드, 마우스 등이 있고,
출력 장치는 컴퓨터 외부로 표현하는 장치로 프린터, 모니터 , 스피커 등이 있다.
1 - (2) 시스템 버스
하드웨어 구성 요소를 물리적으로 연결하는 선이다.
각 구성요소가 다른 구성요소로 데이터를 보낼 수 있도록 통로가 되어준다.
용도에 따라 데이터 버스, 주소 버스, 제어 버스로 나누어 진다.
(2) - 1 데이터 버스
중앙처리장치와 기타 장치 사이에서 데이터를 전달하는 통로
기억장치와 입출력장치의 명령어와 데이터를 중앙처리장치로 보내거나, 중앙처리장치의 연산 결과를
기억장치와 입출력장치로 보내는 양방향 버스이다.
(2) - 2 주소 버스
데이터를 정확히 실어나르기 위해서는 기억장치 '주소' 를 정해주어야 한다.
주소버스는 중앙처리장치가 주기억장치나 입출력장치로 기억장치 주소를 전달하는 통로이기 때문에 '단방향' 버스이다.
(2) - 3 제어 버스
주소 버스와 데이터 버스는 모든 장치에 공유되기 때문에 이를 제어할 수단이 필요하다.
제어 버스는 중앙처리장치가 기억장치나 입출력장치에 제어 신호를 전달하는 통로이다.
제어 신호의 종류로는 기억장치 읽기 및 쓰기, 버스 요청 및 승인, 인터럽트 요청 및 승인, 클락, 리셋 등이 있다.
제어 버스는 읽기 동작과 쓰기 동작을 모두 수행하기 때문에 '양방향' 버스이다.
컴퓨터는 기본적으로 읽고 처리한 뒤 저장하는 과정으로 이루어진다.
Read(읽고) -> Process(제어) -> Write(쓰기)
이 과정을 진행하면서 끊임없이 주기억장치(RAM)과 소통한다.
이때 운영체제가 64bit라면, CPU는 RAM으로부터 데이터를 한번에 64bit씩 읽어 온다.
--- 궁금한점 ---
일단 운영체제의 bit는 CPU가 한 번에 처리할 수 있는 데이터의 크기이다.
즉 메모리 주소를 다루는 최대크기, 레지스터 구조의 차이 때문이다.
그렇다면 왜 컴퓨터의 운영체제는 64 or 32를 사용할까 124 256 이런식으로 더 큰 데이터의 전달이 가능하면 좋을텐데
이렇게 생각해서 알아보니
기술적으로는 가능하다 128, 256 만들 수 있고, 벡터 연산용 레지스터는 이미 존재한다고 한다.
하지만 운영체제, 컴파일러, 메모리 시스템, 앱 여러 가지의 이미 사용하고 있는 부분들이 굉장히 많아 하나만 바꾼다고 해서 되는게 아니기에 여러가지의 교체 비용으로 인한 비용이 많이 증가하기 때문.
64bit의 메모리 주소로도 엄청나게 많은 데이터를 보낼 수 있기에 128bit의 주소 공간은 아직 필요 하지 않다.
또한 128bit의 OS는 아직 존재하지 않고 만들이유나 쓸모가 없기에 현재 64bit를 사용하고 있다.
1 - (3) 중앙처리장치(CPU) 작동 원리
CPU는 컴퓨터에서 가장 핵심적인 역할을 수행하는 부분, 인간의 두뇌에 해당된다.
크게 연산장치, 제어장치, 레지스터 3가지로 구성된다.
(3) - 1 연산장치
산술연산과 논리연산 수행한다. 따라서 산술논리연산장치라고도 부른다.
연산에 필요한 데이터를 레지스터에서 가져오고, 연산 결과를 다시 레지스터로 보낸다.
(3) - 2 제어장치
명령어를 순서대로 실행할 수 있도록 제어하는 장치
주기억장치에서 프로그램 명령어를 꺼내 해독하고, 그 결과에 따라 명령어 실행에 필요한 제어 신호를 기억장치, 연산장치, 입출력장치로 보낸다.
또한 이들 장치가 보낸 신호를 받아, 다음에 수행할 동작을 결정한다.
(3) - 3 레지스터
고속 기억장치임
명령어 주소, 코드, 연산에 필요한 데이터, 연산 결과 등을 임시로 저장한다.
용도에 따라 범용 레지스터와 특수목적 레지스터로 구분된다.
중앙처리장치 종류에 따라 사용할 수 있는 레지스터 개수와 크기가 다르다.
- 범용 레지스터 : 연산에 필요한 데이터나 연산 결과를 임시로 저장한다.
- 특수목적 레지스터 : 특별한 용도로 사용하는 레지스터
(3) - 4 특수 목적 레지스터 중 알아두면 좋은 것들
MAR(메모리 주소 레지스터) : 읽기와 쓰기 연산을 수행할 주기억장치 주소를 저장한다.
PC(프로그램 카운터) : 다음에 수행할 명령어 주소 저장
IR(명령어 레지스터) : 현재 실행 중인 명령어 저장
MBR(메모리 버퍼 레지스터) : 주기억장치에서 읽어온 데이터 or 저장할 데이터 임시 저장
AC(누산기) : 연산 결과 임시 저장
1 - (4) CPU의 동작 과정
1. 주기억장치는 입력장치에서 입력받은 데이터 또는 보조기억장치에 저장된 프로그램을 읽어온다.
2. CPU는 프로그램을 실행하기 위해 주기억장치에 저장된 프로그램 명령어와 데이터를 읽어와 처리하고 결과를 다시 주기억장치에 저장한다.
3. 주기억장치는 처리 결과를 보조기억장치에 저장하거나 출력장치로 보낸다.
4. 제어장치는 1 ~ 3의 과정에서 명령어가 순서대로 실행되도록 각 장치를 제어한다.
(4) - 1 명령어 세트란
CPU가 실행할 명령어의 집합
연산 코드(Operation Code) + 피연산자(Operand)로 이루어진다.
연산코드 : 실행할 연산
피연산자 : 필요한 데이터 or 저장 위치
연산 코드는 연산, 제어, 데이터 전달, 입출력 기능을 가진다.
피연산자는 주소, 숫자/문자, 논리 데이터 등을 저장한다.
CPU는 프로그램 실행하기 위해 주기억장치에서 명령어를 순차적으로 인출하여 해독하고 실행하는 과정을 반복한다.
CPU가 주기억장치에서 한번에 하나의 명령어를 인출하여 실핸하는데 필요한 일련의 활동을 '명령어 사이클' 이라고 말한다.
명령어 사이클은 인출/실행/간접/인터럽트 사이클로 나누어진다.
주기억장치의 지정된 주소에서 하나의 명령어를 가져오고, 실행 사이클에서는 명령어를 실행한다.
하나의 명령어 실행이 완료되면 그 다음 명령어에 대한 인출 사이클이 시작된다.
(4) - 2 인출 사이클과 실행 사이클에 의한 명령어 처리 과정
인출 사이클에서 가장 중요한 부분 PC(프로그램 카운터)값 증가
- PC에 저장된 주소를 MAR로 전달
- 저장된 내용을 토대로 주기억장치의 해당 주소에서 명령어 인출
- 인출한 명령어를 MBR에 저장
- 다음 명령어를 인출하기 위해 PC 값 증가
- 메모리 버퍼 레지스터(MBR)에 저장된 내용을 명령어 레이즈서(IR)에 전달한다.
인출하기까지의 과정
인출한 이후, 명령어를 실행하는 과정
ADD addr명령어 연산
이미 인출이 진행되고 명령어만 실행하면 되기 떄문에 PC를 증가할 필요 없음
IR값에 MBR의 값이 이미 저장된 상태를 의미한다.
따라서 AC에 MBR을 더해주기만 하면 된다.
1 - (5) 캐시 메모리(Cache Memory)
속도가 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리를 말한다.
- CPU 코어와 메모리 사이의 병목 현상 완화
- 웹 브라우저 캐시 파일은, 하드디스크와 웹페이지 사이의 병목 현상을 완화
CPU가 주기억장치에서 저장된 데이터를 읽어올 때, 자주 사용하는 데이터를 캐시 메모리에 저장한 뒤,
다음에 이용할 때 주기억장치가 아닌 캐시 메모리에서 먼저 가져오면서 속도를 향상시킨다.
속도라는 장점을 얻지만, 용량이 적기도 하고 비용이 비싼 점이 있다.
CPU에는 이러한 캐시 메모리가 2~3개 정도 사용된다. (L1, L2, L3 캐시 메모리라고 부른다)
속도와 크기에 따라 분류한 것으로, 일반적으로 L1 캐시부터 먼저 사용된다.
(CPU에서 가장 빠르게 접근하고, 여기서 데이터를 찾지 못하면 L2로 간다)
듀얼 코어 프로세서의 캐시 메모리 : 각 코어마다 독립된 L1 캐시 메모리를 가지고, 두 코어가 공유하는 L2 캐시 메모리가 내장된다.
만약 L1 캐시가 128kb면, 64/64로 나누어 64kb에 명령어를 처리하기 직전의 명령어를 임시 저장하고, 나머지 64kb에 명령어를
처리하기 직전의 명령어를 임시 저장하고, 나머지 64kb에는 실행 후 명령어를 임시저장한다.
L1 : CPU 내부에 존재
L2 : CPU와 RAM 사이에 존재
L2 : 보통 메인보드에 존재한다고 한다.
캐시 메모리의 크기가 작은 이유는 SRAM의 가격이 매우 비싸기 떄문이다.
디스크 캐시 : 주기억장치(RAM)와 보조기억장치(하드디스크) 사이에 존재하는 캐시이다.
(5) - 1 캐시 메모리 작동 원리
- 시간 지역성
for나 while 같은 반복문에 사용하는 조건 변수처럼 한번 참조된 데이터는 잠시후 또 참조될 가능성이 높음
- 공간 지역성
A[0], A[1]과 같은 연속 접근 시, 참조된 데이터 근처에 있는 데이터가 잠시후 또 사용된 가능성이 높다.
이처럼 참조 지역성의 원리가 존재한다.
캐시에 데이터를 저장할 때는, 이러한 참조 지역성(공간)을 최대한 활용하기 위해 해당 데이터뿐만 아니라, 옆 주소의 데이터도 같이 가져와 미래에 쓰일 것을 대비한다.
CPU가 요청한 데이터가 캐시에 있으면 'Cache Hit' , 없어서 DRAM에서 가져오면 Cache Miss'
(5) - 2 캐시미스 경우 3가지
1. Cold miss
해당 메모리 주소를 처음 불러서 나는 미스
2. Conflict miss
캐시 메모리에 A와 B 데이터를 저장해야 하는데, A와 B가 같은 캐시 메모리 주소에 할당되어 있어서 나는 미스로
direct mapped cache에서 많이 발생한다.
3. Capacity miss
캐시 메모리의 공간이 부족해서 나는 미스로
Conflict는 주소 할당 문제, Capacity는 공간 문제이다.
캐시 크기를 키워서 문제를 해결하려하면, 캐시 접근속도가 느려지고 파워를 많이 먹는 단점이 생긴다.
(5) - 3 구조 및 작동 방식
1. Direct Mapped Cache
가장 기본적인 구조로, DRAM의 여러 주소가 캐시 메모리의 한 주소에 대응되는 다대일 방식이다.
현재 그림에서는 메모리 공간이 32(00000 ~ 11111) 개이고, 캐시메모리 공간은 8( 000 ~ 111)개인 상황
00000, 01000, 10000, 11000인 메모리 주소는 000 캐시 메모리 주소에 맵핑
이때 000이 '인덱스 필드", 인덱스 제외한 앞의 나머지(00, 01,10,11)를 "태그 필드" 라고 한다.
이처럼 캐시 메모리는 인덱스필드 + 태그 필드 + 데이터 필드로 구성된다.
간단하고 빠른 장점이 있지만, Conflict Miss가 발생하는 것이 단점이다. 위 사진처럼 같은 색깔의 데이터를 동시에 사용해야 할 때
발생한다.
2. Fully Associative Cache
비어있는 캐시 메모리가 있으면, 마음대로 주소를 저장하는 방식
저장할 때는 매우 간단하지만, 찾을 때가 문제
조건이나 규칙이 없어서 특정 캐시 Set 안에 있는 모든 블럭을 한번에 찾아 원하는 데이터가 있는지 검색해야 한다.
CAM이라는 특수한 메모리 구조를 사용해야 하지만 가격이 매우 비싸다.
3. Set Associative Cache
Dircet + Fully 방식이다. 특정 행을 지정하고, 그 행안의 어떤 열이든 비어있을 때
저장하는 방식이다. Direct에 비해 검색 속도는 느리지만, 저장이 빠르고 Fully에 비해 저장이 빠르고 Fully에 비해 저장이 느린 대신 검색이 빠른 중간형이다.
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