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[OS] Computer System (1): Hardware and Software

2020-11-19
OS

1. Computer System

  • computer system

    • 데이터를 처리하기 위해 다양한 작업을 수행하는 장치
    • Computer system 은 Hardware와 Software로 이루어져 있다.

  • Two main components

    • Hardware (H/W)
    • command 또는 instruction를 처리할 수 있는 물리적이고 실제하는 디바이스
    • Software (S/W)
    • 데이터를 다루기 위한 instruction collection
    • OS (Operating System) 또한 컴퓨터 시스템의 main software 중 하나이다.

2. Hardware

하드웨어에는 세 종류의 주요 component가 있는데, 각각의 component들은 system bus를 통해 서로 연결되어 있다.

종류 설명
processor
(프로세서)		 기본연산을 수행하여 instruction를 수행한다.
CPU (Central Processing Unit) 으로 참조됨
Memory
(메모리)		 정보를 저장한다.
Peripherals
(I/O Devices)		 컴퓨터에 정보를 입력하고 출력한다.
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2.1. HW: Processor (프로세서)

REGISTER (레지스터)와 ALU (연산 장치) 로 instruction를 실행

  • Register: save/load data for ALU
  • ALU (Arithmetic Logical Unit): 레지스터의 데이터로 instruction 수행
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2.1.1. MultiProcessor system

  • A system that has a multiple processor

    • quad-core: 4 processors/ octa-core: 8 processors

  • Why?

    • more processors -> higher concurrency (동시성)
      : multiple instructions can be executed simultaneously (다중의 instruction이 동시에 실행될 수 있다)

2.1.2. Register (레지스터)

Register 는 processor 내부에 있는 memory 이다.
시스템의 모든 메모리 디바이스 중에서 가장 빠르다.

  • Register Size

    • register 의 크기는 processor가 한 번에 처리할 수 있는 데이터의 크기를 결정한다.
    • n-bit processor computer는 최대 2n2^n 메모리를 사용할 수 있다.

Types of registers: 사용자 가시 레지스터

  • 데이터 레지스터 (DR, Data Register)

    • 함수 연산에 필요한 데이터를 저장한다. 값 문자 등을 저장하므로 산술 연산이나 논리 연산에 사용하며, 연산 결과로 플래그 값을 저장한다.

  • 주소 레지스터 (AR, Address Register)

    • 주소나 유효 주소를 계산하는 데 필요한 주소의 일부분을 저장한다. AR 에 저장한 값 (값 데이터)을 사용하여 산술 연산을 할 수 있다.

종류 설명
기준 주소
레지스터		 프로그램을 실행할 때 사용하는 기준 주소 값을 저장한다.
기준 주소는 하나의 프로그램이나 일부처럼 서로 관련 있는 정보를 저장하며, 연속된 저장 공간을 지정하는 데 참조할 수 있는 주소이다.
따라서 기준 주소 레지스터는 페이지나 세그먼트처럼 블록화된 정보에 접근하는 데 사용한다.
스택 포인터
레지스터		 메모리에 프로세서 스택을 구현하는 데 사용한다.
많은 프로세서와 주소 레지스터를 데이터 스택 포인터와 큐 포인터로 사용한다.
보통 반환 주소, 프로세서 상태 정보, 서브루틴의 임시 변수를 저장한다.

Control and Status Register: 사용자 불가시 레지스터

종류 설명
프로그램 카운터
(PC, program Counter)		 다음에 실행할 명령어의 주소를 보관하는 레지스터이다.
계수기로 되어 있어 실행할 명령어를 메모리에서 읽으면 명령어의 길이만큼 증가하여 다음 명령어를 가리키며, 분기 명령어는 목적 주소로 갱신할 수 있다.
명령어 레지스터
(IR, Instruction Register)		 현재 실행하는 명령어를 보관하는 레지스터이다
누산기
(ACC, Accumulator)		 데이터를 일시적으로 저장하는 레지스터이다
메모리 주소 레지스터
(MAR, Memory Address Register)		 프로세서가 참조하려는 데이터의 주소를 명시하여 메모리에 접근하는 버퍼 레지스터이다
메모리 버퍼 레지스터
(MBR, Memory Buffer Register)		 프로세서가 메모리에서 읽거나 메모리에 저장할 데이터 자체를 보관하는 버퍼 레지스터이다. 메모리 데이터 레지스터 (MDR, Memory Data Register)라고도 한다.
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2.2. HW: Memory (메모리)

bit pattern (0 or 1) 으로 정보를 저장한다.
목적에 따라 다양한 종류가 존재한다.

  • Hierarchical memory structure (메모리 계층 구조) image

1) Main Memory (메인 메모리)

  • 긴 바이트 리스트 (8 bits 그룹)

    • 각각은 고유한 주소를 가진다 → how many bits are required for using 4GB memory space?

  • Interaction with the processor

    • Load: 데이터가 processor - register으로 복사됨
    • Save: 데이터가 processor - register 에서 memory 로 복사됨

2) Cache (캐시)

  • Problem

    • processor의 처리 속도가 main memory 의 처리속도보다 훨신 빠르다.
    • main memory 의 data에 접근하는 평균 비용을 줄일 필요성을 느끼게 되었다.

  • Idea

    • main memory 와 processor 사이에 cache 라는 또 다른 메모리를 두었다.
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  • Term

    • Cache Hit: cache가 processor 가 요청한 데이터를 가지고 있다.
    • Cache Miss: cache가 processor 가 요청한 데이터를 가지고 있지 않다. processor는 main memory에서 데이터를 가지고 와야 한다.
    • Cache Hit Ratio: cache 조회 수에 대한 cache hit 비율
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Auxiliary memory (보조기억장치)

  • 주변기기 사이의 데이터와 프로그램을 저장하는 하드웨어
  • = Secondary storagy, external storagy
  • HDD, SSD, etc

2.3. HW: System bus (시스템 버스)

System Bus: bus master 와 bus slave 사이에 데이터를 전달

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종류 설명
데이터 버스 프로세서와 메인 메모리, 주변장치 사이에서 데이터를 전송한다.
데이터 버스를 구성하는 배선 수는 프로세서가 한 번에 전송할 수 있는 비트 수를 결정하는데 이를 워드라고 한다
주소 버스 프로세서가 시스템의 구성 요소를 식별하는 주소 정보를 전송한다.
주소 버스를 구성하는 배선 수는 프로세서와 접속할 수 있는 메인 메모리의 최대 용량을 결정한다.
제어 버스 프로세서가 시스템의 구성 요소를 제어하는 데 사용한다.
제어 신호로 연산장치의 연산 종류와 메인 메모리의 읽기나 쓰기 동작을 결정한다.

Bus master

  • bus request signal 을 전송함으로써 bus transaction 을 시작
  • CPU: main memory와 CPU-register 간에 데이터를 이동

  • DMA (Direct Memory Access) controller

    • CPU의 도움 없이 main memory와 I/O buffer 간에 데이터를 이동

Bus slave

  • bus master 으로부터 command를 받고 그에 따라 동작한다.
  • Memory controller (memory)

  • Device controller (I/O device)

    • 특정한 디바이스 유형 담당
    • Has local registers and/or local buffer
    • CPU에 interrupt를 발생시켜 작업이 끝났음을 알린다.
    • *Note that: I/O device와 CPU는 동시에 실행될 수 있다.

2.4. HW: Peripherals (I/O Devices)

  • Input device: input data from outside (ex, mouse, keyboard, microphone …)
  • Output device: send data to the outside (ex, monitor, speaker, printer …)

  • I/O Device Controller

    • Each I/O device has its own controller
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I/O device controller

  • 자체적인 register를 지닌다.

  • I/O 작업 (operation)은 CPU에 의해 시작된다. (initiated by CPU)

    • Output operation

    • status register에서 output register 가 사용 가능한지 확인

      • 사용 가능하다면, 데이터를 output register로 이동시킨다. (output command를 control register로 이동시킨다)
      • 사용 불가능하다면, output register 가 사용 가능할 때까지 대기
      • Polling I/O vs. Interrupt-driven I/O
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3. Interrupt

  • Interrupt

    • 즉각적인 주의를 필요로하는 이벤트를 나타내는 프로세스에 대한 신호
    • H/W 또는 S/W 에 의해 발생한다.
    • interrupt가 발생하면 ISR (Interrupt Service Routine) 이 호출된다.

  • Types of interrupts

    • H/W interrupt : Caused by H/W signal
    • S/W interrupt (a.k.a. Trap) : Caused either by an error or instruction

3.1. Interrupt H/W

  • Interrupt destination

    • processor는 Interrupt Request (IRQ) 라는 input pin를 가진다.
    • IRQ 는 processor에게 시스템의 다른 칩이 주의가 필요함을 알린다.

  • Interrupt source

    • I/O chip에는 서비스가 필요할 때, assertion을 발생시키는 핀이 있다.

  • Legacy mechanism

    • not scalable
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  • PIC (programmable interrupt controller)

    • Functions as an overall manager in an interrupt-driven system environment
    • IRQ 핀의 개수보다 많은 I/O 디바이스들을 지원할 수 있다.
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3.2. Interrupt Mechanism

  1. At the time of interrupt (interrupt 발생)

    • 현재 프로그램의 실행을 중지

  2. While interrupt is being processed (interrupt 처리 중)

    • interrupt 손실을 방지하기 위해 이후의 interrupt 수신을 비활성화한다.

  3. After the execution of ISR (ISR 실행 완료)

    • 저장된 주소를 통해 중단되었던 프로그램으로 복귀