[운영체제] 운영체제 수업 인트로 정리: 컴퓨터 구조와 OS의 만남

이번 포스팅부터는 본격적으로 운영체제 수업 내용을 정리해보려 합니다.
사실 교수님께서 오늘까지 수업한 내용은 모두 인트로라고 하셨지만, 그 안에 꼭 알아야 할 기본 개념들이 꽤 많았습니다.

운영체제뿐 아니라 컴퓨터 구조도 함께 언급되며, 앞으로의 본격적인 학습을 위한 기반이 되는 내용들이라 기억에 남기고 싶어 포스팅합니다.

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폰 노이만 구조 다시 상기하기

폰 노이만 구조는 컴퓨터 구조나 마이크로프로세서 과목에서 꼭 한 번쯤 들어봤을 이름일 겁니다. 이 구조에서는 오직 프로세싱 유닛만이 메인 메모리에 접근할 수 있습니다.

구성 요소는 다음과 같습니다.

• processing unit: 산술/논리 연산 장치(ALU), 프로세서 레지스터 포함
• control unit: 명령어 레지스터(IR), 프로그램 카운터(PC) 포함
• memory: 데이터와 명령어 모두 저장
• I/O 장치
• 외부 저장장치
• 버스

이 구조에서 발생하는 병목 현상이 바로 Von Neumann Bottleneck입니다.
CPU는 빨라지는데 메모리 속도가 느려 전체 성능이 저하되는 문제가 발생합니다.

이를 해결하기 위한 기술로는 다음과 같은 것들이 있습니다.

• 캐시 메모리
• Modified Harvard Architecture
• 온칩 스크래치패드 메모리
• 메모리 계층 구조
• DMA (Direct Memory Access)

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word 크기에 대한 이해

word 크기는 시스템마다 다르며, 레지스터 크기와 항상 같지는 않습니다.

예시:

• ARM 아키텍처: word 크기 4바이트, 레지스터 크기 4바이트
• 인텔 64비트 아키텍처: word 크기 2바이트, 레지스터 크기 8바이트

word는 한 번에 처리할 수 있는 데이터의 크기를 나타내지만, 하드웨어 구조에 따라 반드시 레지스터와 일치하지는 않습니다.

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Computer System 구성 요소

1. Mode Bit

운영체제는 두 가지 모드로 동작합니다.

• Kernel Mode: OS의 코드와 데이터를 실행 중인 상태. CPU의 제어권이 운영체제에 있음.
• User Mode: 사용자 프로그램이 실행되는 상태. CPU 제어권은 사용자에게 있지만, 제한된 영역만 접근 가능.

구분 기준은 프로그램 카운터(PC)가 가리키는 메모리 주소에 따라 결정됩니다.
OS 영역이면 커널 모드, 일반 메모리 영역이면 유저 모드입니다.

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2. Timer

타임 쉐어링 시스템에서는 시간을 쪼개 사용자에게 배분하기 때문에, 하드웨어적으로 시간을 측정하는 장치가 필요합니다.
타이머 인터럽트는 현재 실행 중인 프로그램을 멈추고 컨텍스트 스위칭을 유도합니다.

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3. I/O Device

입출력 장치는 I/O 컨트롤러를 통해 연결됩니다.

• I/O 컨트롤러는 제어 레지스터, 상태 레지스터 등을 포함한 작은 CPU와 유사한 구조
• 로컬 버퍼와 함께 작동
• 장치 동작 완료 시 인터럽트를 발생시켜 CPU에게 알림
• 디바이스 드라이버는 I/O 장치를 위한 운영체제 역할을 수행

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4. Exception (Interrupt)

예외는 크게 두 가지로 나뉩니다.

비동기적 예외 (Asynchronous)

• 외부 장치에 의해 발생
• 예측 불가능한 타이밍
• 예시: 타이머 인터럽트, I/O 인터럽트

처리 순서:

1. 사용자 모드에서 이벤트 발생
2. 인터럽트 발생
3. OS가 커널 모드에서 처리
4. 처리 후 다시 사용자 모드로 복귀

동기적 예외 (Synchronous)

CPU 내부에서 발생하며 종류에 따라 다음과 같이 구분됩니다.

• Trap: 의도적으로 발생 (시스템 콜, printf 등)
• Fault: 의도치 않게 발생했지만 회복 가능 (page fault 등)
• Abort: 회복 불가능한 심각한 오류 (illegal instruction, parity error 등)

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5. DMA (Direct Memory Access)

DMA는 I/O 장치가 CPU를 거치지 않고 메모리와 직접 데이터를 주고받을 수 있도록 하는 장치입니다.

기존에는 I/O 동작마다 인터럽트가 발생했지만, DMA가 있으면 CPU가 간섭하지 않아도 됩니다.
이는 인터럽트 과다 발생으로 인한 성능 저하를 줄여주며, 특히 타임 슬라이싱 환경에서 효율적입니다.

단점

• 하드웨어 추가 비용 발생
• 캐시 일관성(Coherence) 문제 발생 가능

DMA 동작 방식

1. DMA가 CPU에 요청(HLQ) 전송
2. CPU가 버스 양도(HLDA) 응답
3. DMA가 I/O 장치에 메모리 주소와 데이터 크기 전달
4. 데이터 전송 진행

DMA 모드 종류

모드	설명
Burst	DMA가 버스를 독점하며 대용량 데이터를 한 번에 전송
Cycle Steal	CPU와 DMA가 클럭을 나눠 버스를 교대로 사용
Transparent	CPU가 버스를 사용하지 않을 때만 DMA가 사용

 

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다음 포스팅 예고

다음부터는 운영체제의 본격적인 내부 구조와 CPU 스케줄링, 프로세스 관리 등으로 넘어갈 예정입니다.
앞으로도 수업 내용을 바탕으로 핵심만 정리해서 포스팅해보겠습니다.