# 컴퓨터의 요소
TIP
컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있습니다.
# CPU
- 제어장치, 레지스터, 산술논리연산장치로 구성되어 있습니다.
- 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼입니다.
- 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 CPU가 이를 처리합니다.
- 간단하게 컴퓨터의 계산을 담당하는 부분이라고 생각하면 됩니다.
# CPU의 구성요소
- 제어장치(CU, Control Unit)
- 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품입니다.
- 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정합니다.
- 명령어의 실행 단계(Instruction Cycle)
| 단계 | 동작설명 |
|---|---|
| 인출(Fetch) | 메모리에서 데이터를 로드하여 CPU에 있는 레지스터에 적재하는 과정 |
| 간접(Indirect) | 메모리를 참조할 때 간접주소 방식을 사용하는 경우에 실행 |
| 실행(Execute) | 명령과 데이터로 CPU가 산술 및 논리연산을 수행하는 것 |
| 인터럽트(Interrupt) | 컴퓨터 작동 중 예기치 않은 문제 발생 시 업무 처리가 계속 될 수 있도록 하는 컴퓨터 운영체제의 한 기능 |
- 레지스터(Register)
- CPU 내부에서 처리할 명령어나 연산의 결과나 주소 등을 일시적으로 기억하는 임시 기억장소입니다.
- CPU와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 훨씬 빠릅니다.
- CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달합니다.
- 산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)
- 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연상을 계산하는 디지털 회로입니다.
# CPU의 연산처리
CPU에서 제어장치, 레지스터, 산술논리연산장치를 통해 연산하는 예는 다음과 같습니다.
- 제어장치가 메모리와 레지스터에 계산할 값을 로드합니다.
- 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령합니다.
- 제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 계산한 값을 저장합니다.
# 인터럽트
어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말합니다. 컴퓨터 작동 중 예기치 않은 문제가 발생해도 업무 처리가 계속 될 수 있도록 해줍니다.
키보드, 마우스 등 IO 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생합니다.
인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행됩니다. 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행됩니다.
인터럽트 핸들러 함수
인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수입니다.
커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며 request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있습니다.
- 하드웨어 인터럽트
- 키보드를 연결한다거나 마우스를 연결하는 일 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 말합니다.
- 이때 인터럽트 라인이 설계된 이후 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고 운영체제에 시스템콜을 요청해서 원하는 디바이스로 향해 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행합니다.
- 소프트웨어 인터럽트
- 트랩(trap)이라고도 합니다.
- 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할때 발동합니다.
# DMA 컨트롤러
I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치를 뜻합니다.
CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼이라고 보면 됩니다. 또한, 하나의 작업을 CPU와 DMA컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지합니다.
# 메모리(Memory)
메모리는 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치를 말하며, 보통 RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고도 합니다. 메모리가 크면 클수록 많은 일을 동시에 할 수
있습니다.
간단하게 메모리는 기억을 담당한다고 생각하면 됩니다.
# 타이머
타이머(timer)는 몇 초안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간제한을 다는 역할을 합니다.
시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재합니다.
# 디바이스 컨트롤러
디바이스 컨트롤러(device controller)는 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 말합니다.
# 참고자료
- 주홍철.면접을 위한 CS 전공지식 노트.서울:길벗,2022.
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