컴퓨터는 네 부분으로 이루어진다. 일을 하는 일꾼(프로세서), 일감과 작업 지시서를 펼쳐 두는 책상(주기억장치), 바깥 세상과 물건을 주고받는 창구(입출력 모듈), 이 셋을 잇는 복도(시스템 버스)다. 운영체제는 이 하드웨어를 대신 관리하는 프로그램이라서, 하드웨어가 어떻게 생겼는지 알아야 운영체제가 왜 그렇게 일하는지 보인다. 책상은 전원이 꺼지면 깨끗이 비워진다는 점이 중요하다.
예시로 보기
“엑셀 파일을 열어 합계를 구한다”는 일을 네 부분으로 나눠 보면 이렇다.
| 하는 일 | 맡는 부분 |
|---|---|
| 디스크에 있던 파일 내용을 컴퓨터 안으로 들여온다 | 입출력 모듈 (디스크 쪽 창구) |
| 들여온 숫자와 엑셀 프로그램의 명령어를 펼쳐 둔다 | 주기억장치 |
| 명령어를 하나씩 읽어 덧셈을 한다 | 프로세서 |
| 위 세 부분 사이로 데이터와 명령을 나른다 | 시스템 버스 |
flowchart LR
CPU[프로세서] --- BUS[(시스템 버스)]
MEM[주기억장치] --- BUS
IO[입출력 모듈] --- BUS
IO --- DEV[디스크·네트워크 장비·터미널]
“책상” 비유는 주기억장치가 일하는 동안 펼쳐 두는 곳이라는 점까지만 맞다. 실제 주기억장치는 칸마다 번호(주소)가 붙어 있고, 프로세서는 그 번호로 칸을 하나씩 집어서 읽고 쓴다.
네 부분이 하는 일
- 프로세서. 컴퓨터 전체의 동작을 지휘하고 계산을 한다. 하나뿐이면 중앙 처리 장치(CPU)라고 부른다. 주기억장치와 데이터를 주고받을 때는 안쪽의 작은 저장 칸 두 개를 쓴다. 하나는 다음에 읽거나 쓸 주소를 담는 칸(MAR)이고, 다른 하나는 쓸 데이터나 읽어 온 데이터를 담는 칸(MBR)이다.
- 주기억장치. 데이터와 프로그램을 담는다. 전원이 꺼지면 내용이 사라진다(휘발성). 칸마다 0번부터 차례로 번호가 붙어 있다. 한 칸에 든 비트 묶음은 명령어로도, 데이터로도 읽힐 수 있다. 실제 메모리(real memory), 1차 메모리(primary memory)라고도 부른다.
- 입출력 모듈. 컴퓨터와 바깥 장치(디스크 같은 저장 장치, 통신 장비, 터미널) 사이에서 데이터를 옮긴다. 안에 잠깐 데이터를 맡아 두는 공간(버퍼)이 있다. 어느 장치와 일할지는 입출력 주소 레지스터(I/OAR)가, 주고받을 데이터는 입출력 버퍼 레지스터(I/OBR)가 담는다.
- 시스템 버스. 프로세서, 주기억장치, 입출력 모듈이 서로 데이터를 주고받는 길이다.
활용
- 운영체제가 관리하는 대상이 바로 이 네 부분이다. 프로세서 시간을 누구에게 줄지, 주기억장치의 어느 칸을 누구에게 줄지, 어떤 입출력 장치를 언제 쓰게 할지 정한다. 자세한 것은 운영체제의 역할에 있다.
- 주기억장치가 휘발성이라서 오래 남길 데이터는 디스크 같은 2차 기억장치에 둔다. 이 차이는 메모리 계층에서 다시 나온다.
연결
- 다음: 프로세서 안의 저장 칸은 프로세서 레지스터, 프로세서가 일하는 순서는 명령어 사이클
- 2-1학기 어셈블리어의 1~2장(x86 프로세서 구조)이 같은 내용을 x86 기준으로 다룬다.
과목별 관점
어셈블리어 (2-1학기). 같은 네 부분을 x86 마이크로컴퓨터의 그림으로 본다. 여기에 더해 프로세서 안의 부품 이름, 버스가 셋으로 나뉜다는 것, 실제 메인보드의 부품을 다룬다.
- 프로세서 안. 레지스터, 산술 논리 장치(ALU), 제어 장치(CU), 클록이 있다. ALU는 산술 계산과 비트 연산을 한다. 제어 장치는 실행 단계의 순서를 맞춘다. 클록은 0과 1을 일정하게 오가는 신호로, 프로세서와 버스의 모든 동작이 이 박자에 맞춰 일어난다. 박자 한 번(기계 사이클)이 동작 하나에 드는 시간의 단위다.
- 버스 셋. 시스템 버스가 데이터 버스, 제어 버스, 주소 버스로 나뉘어 프로세서, 메모리, 입출력 장치를 잇는다.
- 메모리의 종류. ROM은 읽기만 하는 메모리, EPROM은 지우고 다시 써넣을 수 있는 ROM이다. 동적 RAM(DRAM)은 싸지만 내용을 계속 새로 써 주어야 한다. 정적 RAM(SRAM)은 비싸고 새로 써 줄 필요가 없으며 캐시에 쓴다. 비디오 RAM(VRAM)은 화면을 계속 다시 그리는 데 맞춘 것이고, CMOS RAM은 시스템 설정 정보를 담는다.
- 메인보드와 포트. 메인보드에는 CPU 소켓, 주기억장치와 외부 캐시의 슬롯, BIOS 칩, 확장 카드를 꽂는 PCI 슬롯, 여러 장치의 커넥터가 있다. 바깥 장치는 USB, 병렬 포트, 직렬 포트(RS-232), SATA, 블루투스, 와이파이로 잇는다.
프로세서 안의 저장 칸을 x86 기준으로 하나씩 본 것이 x86 레지스터다. 클록의 박자를 아껴 쓰는 방법은 파이프라인과 슈퍼스칼라에 있다.
확인 문제
C1 컴퓨터의 네 가지 기본 구성 요소와 각각이 하는 일을 한 줄씩 쓰라.
답: 프로세서: 동작을 지휘하고 계산한다. 주기억장치: 데이터와 프로그램을 담는다(휘발성). 입출력 모듈: 컴퓨터와 바깥 장치 사이에서 데이터를 옮긴다. 시스템 버스: 앞의 셋이 서로 통신하는 길.
흔한 오답: 디스크를 기본 구성 요소로 적는 것. 디스크는 입출력 모듈 너머의 바깥 장치다.
C2 MAR과 MBR은 각각 무엇을 담는가? 프로세서가 주기억장치 500번지 값을 읽을 때 두 칸에는 각각 무엇이 들어가는가?
답: MAR에는 읽거나 쓸 주소, MBR에는 쓸 데이터나 읽어 온 데이터가 들어간다. 500번지를 읽으면 MAR에 500이 들어가고, 읽어 온 값이 MBR에 들어온다.
흔한 오답: 둘을 거꾸로 적는 것. 이름의 A는 address(주소), B는 buffer(데이터를 잠깐 맡아 두는 곳)다.
C3 동적 RAM(DRAM)과 정적 RAM(SRAM)은 값과 관리 방법이 어떻게 다른가? 주기억장치와 캐시에는 각각 어느 쪽을 쓰는가?
답: DRAM은 싸지만 내용을 계속 새로 써 주어야 한다. SRAM은 비싸고 새로 써 줄 필요가 없다. 용량이 큰 주기억장치에는 DRAM을, 작고 빨라야 하는 캐시에는 SRAM을 쓴다.
이유: 캐시는 용량이 작아서 비싼 SRAM을 써도 감당이 된다. 주기억장치는 용량이 커서 싼 쪽을 쓴다.