1. 운영체제와 컴퓨터 시스템

과거의 컴퓨터 시스템은 하나의 연산을 수행하기 위해 매우 복잡하고 비효율적인 절차를 거쳤다. 예를 들어, 단순한 계산을 실행하기 위해 데이터를 입력한 후 최소 6시간이 소요되었으며, 사용 언어가 다르면 언어 변환 과정에서 추가 시간이 필요했다.

이러한 비효율성을 극복하기 위해 현대의 컴퓨터 시스템은 연산을 분할하고 최적화하는 기법을 도입하였으며, 그 중심에는 운영체제(OS, Operating System)가 자리잡고 있다. 운영체제는 하드웨어 자원의 효율적 관리와 프로그램 실행의 조율을 통해 전체 시스템의 성능을 극대화한다.

 

이번 포스터는 이에 대해 운영체제와 컴퓨터 시스템에 관해서 자세하게 설명하도록 하겠다. 

 

1. 컴퓨터 시스템의 개요

현대 컴퓨터 시스템은 크게 세 가지 구성 요소로 이루어진다.

• 응용 프로그램(Application Software)
  운영체제를 통해 실행되며, 하드웨어 자원을 활용해 사용자에게 필요한 기능을 제공한다.
• 운영체제(Operating System, OS)
  하드웨어와 응용 프로그램 간의 인터페이스 역할을 수행하며, 자원 관리와 시스템 전반의 제어를 담당한다.
• 하드웨어(Hardware)
  운영체제와 응용 프로그램이 동작하는 물리적 장치들로, 입력 장치(마우스, 키보드), 본체, CPU, GPU 등 다양한 구성 요소가 포함된다.

출처: https://namu.wiki/w/%ED%95%98%EB%93%9C%EC%9B%A8%EC%96%B4

 

하드웨어는 다시 다음 세 가지 범주로 나눌 수 있다.

• 프로세서(Processor): CPU, GPU, 응용 전용 처리 장치 등.
• 메모리(Memory): 주 기억 장치(RAM)와 보조 기억 장치(HDD, SSD) 등.
• 주변 장치(Peripheral Devices): 키보드, 마우스, 모니터, 프린터, 네트워크 장치 등.

 

2. 프로세서(Processor)

출처: https://kblab.tistory.com/315

 

일반적으로 프로세서라 하면 CPU(Central Processing Unit, 중앙처리장치)를 의미하며, 컴퓨터의 두뇌 역할을 수행한다. CPU는 연산을 처리하고 시스템 내 모든 장치의 동작을 제어하는 핵심 구성 요소이다.

 

2.1. CPU의 주요 구성 요소

• 레지스터(Register)
  CPU 내부에 위치한 초고속 메모리로, 즉시 사용할 데이터를 저장한다. 컴퓨터에서 가장 빠른 메모리로, 프로그램 실행에 필수적이다.
• 연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)
  산술 및 논리 연산을 수행하며, 데이터 처리를 담당하는 핵심 부품이다.
• 제어장치(Control Unit)
  명령어를 해독하고 실행하여 CPU 내부와 외부 장치 간 데이터 흐름을 조정한다.

이와 같이 각 구성 요소들이 긴밀하게 협력함으로써, CPU는 프로그램을 원활하게 실행한다.

 

2.2. 버스 인터페이스(Bus Interface)

CPU와 메모리, I/O 장치 간의 데이터 전송을 담당하는 버스 인터페이스(Bus Interface Unit, BIU)가 존재한다. BIU는 외부 장치와의 통신을 돕지만, 직접적인 연산 기능은 수행하지 않으므로 CPU의 핵심 구성 요소로 분류되지는 않는다.

2.3. 레지스터(Register)의 종류

레지스터는 저장하는 정보의 용도와 사용자 접근 가능 여부에 따라 구분된다.

• 사용자 가시 레지스터(User-Visible Register)
  프로그래밍에서 직접 접근하여 값을 변경할 수 있는 범용 레지스터나 주소 레지스터 등이 이에 해당한다.
• 사용자 불가시 레지스터(User-Invisible Register)
  운영체제와 하드웨어가 내부적으로 사용하는 레지스터로, 명령어 레지스터나 상태 레지스터 등이 포함된다.

2.3. 프로세서의 동작

CPU는 명령어 사이클(Instruction Cycle)을 통해 동작하며, 다음의 단계를 거친다.

1. 명령어 인출(Fetch)
   프로그램 카운터(PC)에 저장된 주소를 참조하여 메모리(RAM)에서 실행할 명령어를 가져오고, 이를 명령어 레지스터(IR)에 저장한다.
2. 명령어 해독(Decode)
   제어장치가 IR에 저장된 명령어를 해석하여 수행할 동작을 결정한다. 이 과정에서 연산 코드(OPCODE)와 피연산자(Operands)를 분석한다.
3. 명령어 실행(Execute)
   해독된 명령어에 따라 ALU를 통한 연산 수행, 메모리 접근, 조건문에 따른 흐름 변경 등 다양한 작업을 수행한다.
4. 결과 저장(Write Back)
   연산 결과를 레지스터나 메모리에 저장하고, 다음 명령어 실행을 준비한다.

이러한 과정이 반복되면서 CPU는 프로그램을 실행하며, 시스템 버스를 통해 응용 프로그램과 상호 소통한다.

 

2.4. 운영체제와 프로세서

운영체제는 프로세서에게 처리할 작업을 할당하고 관리하며, 프로그램이 프로세서를 사용하는 방식을 제어한다.
주요 역할은 다음과 같다.

• 프로세스 생성 및 관리: 새로운 프로세스를 생성하고, 실행 중인 프로세스를 효과적으로 관리한다.
• 프로세서 사용 시간 조율: 여러 프로그램이 공정하게 CPU 시간을 사용할 수 있도록 스케줄링한다.

이를 통해 운영체제는 다중 작업 환경에서도 효율적인 프로세서 활용을 보장한다.

 

3. 메모리(Memory)

출처: https://www.crucial.kr/products/memory/laptop-dram

 

컴퓨터 시스템에서 프로세서 외에도 중요한 역할을 하는 또 다른 구성 요소는 메모리이다. 메모리는 크게 두 가지 유형으로 구분된다.

 

3.1. 주 기억장치(Primary Memory)

주 기억장치는 프로그램과 데이터를 저장하는 용도로 사용되며, 주로 DRAM(동적 랜덤 액세스 메모리)을 사용한다.

특징:

• 빠른 데이터 접근을 지원하여 프로그램 실행 속도를 높인다.
• 디스크 I/O 병목 현상을 완화시켜 디스크와 프로세서 간 데이터 전송 속도를 향상시킨다.

일반 용어:

• 우리가 흔히 **RAM(Random Access Memory)**이라고 부른다.

3.2. 캐시(Cache)

출처: https://www.researchgate.net/figure/L1-and-L2-cache-memories_fig5_322420547

캐시는 프로세서 내부에 위치한 고속 메모리로, 주 기억장치와의 속도 차이를 보완하기 위해 사용된다.

• 구분: L1 캐시, L2 캐시 등으로 나뉜다.
• 장점: 매우 빠른 데이터 접근 속도를 제공한다.
• 단점: 높은 비용으로 인해 용량이 제한적이다.
• 역할: 주 기억장치와 프로세서 간 데이터 전송을 빠르게 처리하여 입출력 병목 현상을 줄인다.

3.3. 캐시의 동작 원리와 지역성

캐시 메모리는 하드웨어적으로 관리되며, 자주 사용되는 데이터를 미리 저장함으로써 전체 시스템의 성능을 높인다.
이 과정에서 두 가지 중요한 개념이 등장한다.

• 캐시 히트(Cache Hit):
  필요한 데이터 블록이 캐시에 존재할 경우, 프로세서는 이를 바로 활용하여 빠르게 연산을 수행한다.
• 캐시 미스(Cache Miss):
  필요한 데이터 블록이 캐시에 없으면 주 기억장치에서 데이터를 가져와야 하므로, 접근 시간이 크게 늘어난다.

또한, 캐시의 효율은 지역성(Locality) 개념과 밀접하게 관련된다.

• 공간적 지역성(Spatial Locality):
  한 번 참조한 메모리 주소와 인접한 주소들이 함께 참조되는 경향을 의미한다. 예를 들어, 순차적으로 배열을 처리할 때 자주 나타난다.
• 시간적 지역성(Temporal Locality):
  한 번 참조한 주소가 가까운 시간 내에 다시 참조되는 경향을 말한다. 반복문(For문)이나 자주 호출되는 함수 등에서 관찰된다.

이처럼 지역성 개념은 캐시 적중률(Cache Hit Ratio)을 높이는 핵심 요소로, 효율적인 캐시 설계는 전체 알고리즘의 성능 향상에 크게 기여한다.

 

3.3. 메모리 종류

출처: https://2do1.tistory.com/37

 

메모리의 종류는 어려가지가 있다. 이것들은 보조기억장치라고 부르는데 HDD, 하드디스크, USB와 같은 것들을 이야기한다. 이것들의 역활은 프로램과 데이터를 저장하는 것이다.

 

이이것은 프로세서가 직접 접근할 수 없다. 이유는 주변장치이기 떄문이다.  이는 주기억장치에 접근하여 접근할 수 있다. 요량이 크고 가격이 저렴한 장점이 있다. 

 

3.4. 메모리와 운영체제

그렇다면 메모리는 운영체제와 어떤 역확을 가지고 있을까? 운영체제는 메모리와 밀접한 관계를 맺고 있으며, 주로 메모리 할당 및 관리, 그리고 가상 메모리 관리의 역할을 담당한다.

 

4. 시스템 버스(System Bus)

시스템 버스는 컴퓨터 내 모든 구성 요소(프로세서, 메모리, 주변 장치 등) 간의 데이터 전송 경로를 제공하는 핵심 인터페이스이다. 이를 통해 서로 다른 부품들이 원활하게 통신하며, 데이터의 흐름과 동기화를 관리한다.

 

5. 주변 장치

출처: https://item.gmarket.co.kr/Item?goodscode=2774400134&buyboxtype=ad

주변 장치는 컴퓨터 시스템의 외부 장치들로, 사용자와 시스템 간의 인터랙션을 가능하게 한다. 대표적인 예로는 키보드, 마우스, 모니터, 프린터, 네트워크 장치 등이 있다.

 

5.1. 주변장치와 운영체제

운영체제는 주변 장치와 직접 소통하기 위해 다음과 같은 기능들을 수행한다.

• 장치 드라이버 관리: 각 장치의 특성에 맞는 드라이버를 통해 하드웨어와의 인터페이스를 제공.
• 파일 및 디스크 관리: 저장 장치의 데이터 관리와 효율적인 접근을 지원.
• 인터럽트 처리: 외부 장치의 요청에 따라 CPU에 신속하게 대응하여 시스템의 안정성을 보장.

이 글에서는 현대 컴퓨터 시스템의 주요 구성 요소와 이들이 어떻게 상호 작용하여 효율적으로 동작하는지에 대해 살펴보았다.

운영체제는 이러한 구성 요소들 간의 조율자 역할을 수행하며, 특히 프로세서와 메모리, 그리고 주변 장치의 효율적 운영을 통해 전체 시스템 성능을 극대화한다.

 

다음 포스터에서는 운영체제의 상세 기능과 이를 통한 시스템 관리 기법에 대해 보다 깊이 있게 다루도록 하겠다.