Computer 구조

Computer란?

CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있습니다.

CPU

  • CPU(Central Processing Unit)란 산술논리연산장치(ALU), 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치이고, 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 역할을 맡습니다.
  • 컴퓨터의 사용자는 운영체제의 커널을 통해 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들고, 이를 CPU가 연산 작업을 통해 처리합니다.

제어장치(CU, Control Unit)

  • 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품입니다.
  • 입출력장치 간 통신을 제어하고, 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정합니다.

레지스터(Register)

  • CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치입니다.
  • CPU와 직접 연결되어 있어 연산 속도가 메모리보다 수십에서 수백 배 빠릅니다.
  • CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달합니다.

산술논리연산장치(ALU, Arthmetic Logic Unit)

  • 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로입니다.

CPU의 연산 처리 과정

  1. 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드합니다. 또한, 레지스터에도 로드합니다.
  2. 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령합니다.
  3. 제어장치가 계산된 결과 값을 다시 ‘레지스터에서 메모리로’ 계산한 값을 저장합니다.

인터럽트

  • 어떤 신호가 들어왔을 때, CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말합니다.
  • 키보드, 마우스, 등 IO 디바이스로 인한 인터럽트/0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트/프로세스 오류 등으로 발생합니다.
  • 인터럽트가 발생하면 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 *인터럽트 핸들러 함수가 실행됩니다. 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행되며 인터럽트는 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트 두 가지로 나뉩니다. *인터럽트 핸들러 함수: 인터럽트가 발생했을 때, 핸들링하기 위한 함수. 커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며 request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있다.

하드웨어 인터럽트

  • 키보드나 마우스를 연결하는 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 의미합니다.
  • 이때 인터럽트 라인이 설계된 이후, 순차적으로 처리 중이던 인터럽트 실행을 잠시 중단하고, 운영체제에 시스템콜을 요청해서 원하는 디바이스의 작은 로컬 버퍼에 접근한 뒤 필요한 작업을 수행합니다.

소프트웨어 인터럽트

  • 트랩(trap)이라고도 하며, 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동합니다.

DMA 컨트롤러

  • IO 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치
  • CPU에만 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막고, CPU의 일을 보조하는 역할을 맡고 있습니다.
  • 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 수행하는 것을 방지합니다.

메모리

  • 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치를 말하며 보통 RAM(Random Access Memory)을 메모리라고 합니다.
  • CPU는 계산을 담당하고, 메모리는 기억을 담당합니다.
  • 메모리가 클 수록 많은 작업을 동시에 처리할 수 있어 작업 속도가 빨라집니다.

타이머

  • 몇 초 내에 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 두는 역할을 합니다.
  • 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동하면 제한을 걸기 위해 존재합니다.

디바이스 컨트롤러

  • 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 말하고, 옆에 붙어 있는 로컬 버퍼는 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리를 뜻합니다.

운영체제(OS, Operating System)

운영체제란?

컴퓨터 하드웨어와 사용자(또는 응용 프로그램) 사이를 중재하는 소프트웨어 계층으로, 프로세스/메모리/파일/장치 관리 등을 담당합니다.

운영체제의 역할

  1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리: CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리합니다.
  2. 메모리 관리: 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 할지 관리합니다.
  3. 디스크 파일 관리: 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리합니다.
  4. IO 디바이스 관리: IO 디바이스인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리합니다.

운영체제의 구조

*그림에서 GUI 부분이 없는 Linux 운영체제도 있습니다.

시스템콜

  • 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스
  • 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용합니다.
  • 유저 프로그램이 IO 요청으로 트랩(trap, SW 인터럽트)을 발동하면 올바른 IO 요청인지 확인 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행됩니다.
  • ex. IO 요청으로 rs.readFile()이라는 파일 시스템의 파일을 읽는 함수가 발동한 경우
    • 유저 모드에서 파일을 읽지 않고 커널 모드로 들어가 파일을 읽고 다시 유저모드로 돌아가 그 뒤에 있는 유저 프로그램의 로직을 수행합니다.
    • 이 과정을 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있고 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있습니다.
  • 시스템콜과 커널, 운영체제
  • 위 그림처럼 프로세스나 스레드에서 운영체제로 요청을 할 때, 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달됩니다.
  • 시스템콜은 하나의 추상화 계층입니다. 그래서 이를 통해 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있습니다.

modebit

  • 시스템콜이 작동될 때, modebit을 참고하여 유저 모드와 커널 모드를 구분합니다.
  • modebit은 0 또는 1을 가지는 플래그 변수입니다.
  • 카메라, 키보드 등 IO 디바이스는 운영체제를 통해서만 작동해야 합니다. 그 이유는 유저 모드를 기반으로 IO 디바이스의 제어가 가능해진다면 공격의 의도를 가진 해커가 사용자의 의도와 관계 없이 카메라를 제어할 수 있어 피해가 생길 수 있기 때문입니다.
  • 커널 모드를 거쳐 운영체제를 통해 작동한다고 해도 100% 막을 수는 없지만 운영체제를 통해 작동하게 해야 막기 쉬워집니다. 이를 위한 장치가 modebit입니다.
  • modebit의 0은 커널 모드, 1은 유저 모드
    1. 유저 프로그램이 카메라를 이용하려고 할 때, 시스템콜을 호출하고 modebit을 1에서 0으로 바꾸며 커널 모드로 변경한 후 카메라 자원을 이용한 로직을 수행합니다.
    2. 이후 modebit을 0에서 1로 바꿔서 유저 모드로 변경하고 이후 로직을 수행합니다.

참고 자료

  1. 면접을 위한 CS 전공지식 노트, 주홍철
  2. Operating System Concepts, Abraham Silberschartz