클라이밍하는 개발자

Chapter08. 입출력장치

장치컨트롤러

• 입출력 장치는 앞서 말한 CPU, 메모리보다 다루기가 더 어려움
• 첫째, 입출력장비에는 종류가 너무 많다
• 둘째, CPU와 메모리의 데이터 전송률은 높지만 입출력장치의 데이터 전송률은 낮다 → 컴퓨터에 직접 연결되지 않고 ‘장치 컨트롤러’라는 하드웨어를 통해 연결 됨
• 장치 컨트롤러의 역활
  • CPU와 입출력장치 간의 통신중개
  • 오류 검출
  • 데이터 버퍼링 (CPU의 높은 전송률과 입출력장치의 낮은 전송률 차이를 완화)
• 장치드라이버: 장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어함으로써 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고 받을 수 있게 하는 프로그램
• 프로그램 입출력: 프로그램 속 명령어로 입출력 작업을 하는 방식
• 메모리 맵 입출력: 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 입출력 방식
• 고립형 입출력: 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력 장치에 접근하기 위한 주소 공간을 별도로 분리하는 입출력 방식
• 입출력 버스는 입출력 장치와 컴퓨터 내부를 연결 짓는 통로

Chapter07. 보조기억장치

• 하드디스크: 자기적인 방식으로 데이터를 저장하는 보조기억장치
• 플래시메모리: 전기적으로 데이터를 읽고 쓸 수 있는 저장 장치
• RAID: 하드디스크와 SSD를 사용하는 기술로 데이터의 안정성 또는 높은 성능을 위해 여러 개의 보조기억장치를 마치 하나의 논리적 보조기억장치처럼 사용하는 기술

RAID 0:

• 방식: 데이터 스트라이핑 (Striping)
• 장점: 빠른 속도
• 단점: 데이터 보호 없음

RAID 1:

• 방식: 데이터 미러링 (Mirroring)
• 장점: 높은 데이터 보호
• 단점: 스토리지 용량 비효율

RAID 4:

• 방식: 전용 패리티 디스크 (Dedicated Parity Disk)
• 장점: 읽기 속도 빠름, 일부 보호
• 단점: 패리티 디스크가 병목

RAID 5:

• 방식: 분산 패리티 (Distributed Parity)
• 장점: 균형 잡힌 속도와 보호
• 단점: 쓰기 성능 저하

RAID 6:

• 방식: 이중 패리티 (Double Parity)
• 장점: 높은 데이터 보호
• 단점: 쓰기 속도 저하

Chapter06. 메모리와 캐시 메모리

RAM의 특징

• RAM에는 실행할 프로그램의 명령어와 데이터가 저장됩니다. 그러나 전원을 끄면 RAM의 저장된 명령어와 데이터가 모두 날아갑니다.
• 이렇게 전원을 끄면 모두 날아가는 저장 장치를 **‘휘발성 저장 장치’**라고 합니다.
• 반대로 ‘비휘발성 저장 장치’로 하드디스크, SSD, CD-ROM, USB메모리
• CPU가 프로그램을 요청할때 RAM에 없다면 보조기억 장치에서 가져와야 함
• 그러나 RAM용량이 커서 미리 저장하고 있다면 실행 속도가 빠름

RAM의 종류

• DRAM
  • Dynamic RAM은 시간이 지나면 점차 사라지는 RAM
  • 데이터 소멸을 막기 위해 일정주기로 데이터를 재활성화(다시 저장)해야 함
  • 단점이 크지만 소비전력 낮음, 저렴, 집적도 높아서 대용량 설치하기 좋아서 주로 사용
  • 용도: 주기억 장치
• SRAM
  • Static RAM은 저장된 데이터가 변하지 않는 RAM
  • 일반적으로 DRAM보다 속도가 빠름
  • 용도: 캐시 메모리
• SDRAM
  • 클럭 신호와 동기화(Synchronous)된 형태의 DRAM
• DDR SDRAM
  • 최근 가장 흔히 사용되는 RAM
  • 대역폭을 넓혀 속도를 빠르게 만든 SDRAM
  • 대역폭이란 데이터를 주고 받는 길의 너비
  • SDRAM에 비해 대역폭이 두 배 넓음 (자동차 도로 1개와 2개의 차이)
  • DDR2 SDRAM은 4개의 차이(2배의 넓이의 도로가 2개와 1개 도로의 차이)

메모리의 주소 공간

• 물리 주소: 메모리 하드웨어가 사용하는 주소
• 논리 주소: CPU와 실행 중인 프로그램이 사용하는 주소
• 메모리 관리 장치: CPU와 주소 버스 사이에 위치함. 논리 주소와 물리 주소 간의 변환을 수행.
• 베이스 레지스터: 프로그램의 첫 물리 주소를 저장
• 한계 레지스터: 실행 중인 프로그램의 논리 주소의 최대 크기를 저장

캐시 메모리

• 저장 장치 계층 구조: CPU에 얼마나 가까운가(= 속도를 결정함)
• 캐시 메모리는 CPU와 메모리 사이에 위치하고, 레지스터보다 용량이 크고, 메모리보다 빠른 SRAM 기반의 저장 장치
• CPU 입장에서 메모리는 거리가 먼 대형 마트, 캐시 메모리는 가까운 편의점
• 자주 사용할만한 데이터를 저장하고 맞췄다면 캐시히트, 틀리면 캐시미스, 종합하여 캐시 적중률
• 캐시 메모리는 참조 지역성의 원리에 따라 데이터를 예측하여 캐시 적중률을 높임

Chapter05. CPU 성능 향상 기법

• 클럭
  • 클럭 속도가 높은 CPU는 빠르게 작동합니다
  • 클럭 신호가 빠르게 반복되면 CPU를 비롯한 컴퓨터 부품들은 그만큼 빨라짐
  • 클럭 속도는 헤르츠(Hz) 단위로 측정
• 코어와 멀티코어
  • 코어란 CPU 내에서 명령어를 실행하는 부품
  • 원칙적으로 CPU만 ‘명령어를 실행하는 부품’이었지만 최근에는 ‘코어’도 가능
• 스레드
  • 하드웨어적 스레드: 하나의 코어로 여러 명령어를 동시에 처리하는 CPU
  • 소프트적 스레드: 하나의 프로그램에서 독립적으로 실행되는 단위
  • 멀티스레드 프로세서란 하나의 코어로 여러 개의 명령어를 동시에 실행할 수 있는 CPU를 뜻
• 명령어 병렬처리 기법
  • 명령어를 동시에 처리하여 CPU를 한시도 쉬지 않고 작동시키는 기법
  • 명령어 파이프 라이닝: 동시에 여러 개의 명령어를 겹쳐 실행하는 기법
  • 슈퍼스칼라: 여러 개의 명령어 파이프라인을 두는 기법
  • 비순차적 명령어 처리: 파이프라인의 중단을 방지하기 위해 명령어를 순차적으로 처리하지 않는 기법
• 명령어 집합
  • ISA는 CPU의 언어이자 하드웨어가 소프트웨어를 어떻게 이해할지에 대한 약속
  • CISC는 복잡하고 다양한 종류의 가변 길이 명령어 집합을 활용
  • RISC는 단순하고 적은 종류의 고정 길이 명령어 집합을 할용

Chapter04. CPU의 작동 원리

• ALU는 계산하는 부품으로 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고,
• 제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어신호를 받아들입니다.
• 오버플로우: 연산 결과가 연산 결과를 담을 레지스터보다 큰 상황
• 플래그: 연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보
• 제어장치
  • 첫째, 제어장치는 클럭 신호를 받아들입니다 (클럭: 시간단위)
  • 둘째, 제어장치는 ‘해석해야 할 명령어’를 받아들입니다
  • 셋째, 제어장치는 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들입니다
  • 넷째, 제어장치는 시스템 버스, 그중에서 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들입니다
  → 제어장치는 클럭신호, 명령어, 플래그, 제어신호를 받아들입니다
  • 제어장치는 CPU 내부와 외부로 제어 신호를 보냅니다
• 레지스터
  • 프로그램 카운터: 메모리에서 가져올 명령어의 주소(=명령어 포인트)
  • 명령어 레지스터: 해석할 명령어, 이를 받아 들이고 해석한 뒤 제어신호 보냄
  • 메모리 주소 레지스터: 메모리 주소를 저장하는 레지스터
  • 메모리 버퍼 레지스터: 메모리와 주고받을 값을 저장하는 레지스터
  • 범용 레지스터: 일반적인 상황에서 자유롭게 사용
  • 플래그 레지스터: 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장
• 특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식
  • 스택 주소 지정 방식: 스택과 스택 포인터(스택의 최상단의 위치)를 이용한 주소 지정 방식
  • 변위 주소 지정 방식: 오퍼랜드 필드의 값과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식 (상대 주소 지정 방식, 베이스 레지스터 주소 지정 방식)
• 명령어 사이클: 하나의 명령어를 처리하는 정형화 된 흐름
  • 인출 사이클, 실행 사이클, 간접 사이클
• 인터럽트: 흐름에 따라 처리하다 간혹 흐름이 끊어지는 상황
  • 동기 인터럽트: CPU에 의해 발생(예외적인 상황, 프로그래밍 오류 등)
  • 비동기 인터럽트: 입출력장치에서 발생(하드웨어 인터럽트)

Chapter03. 명령어

고급언어는 결국 저급언어로 변환되어 실행되는데 방법은 컴파일 방식과 인터프리터 방식이 존재함.

• 컴파일 언어
  • 컴파일러에 의해 소드 코드 전체가 저급 언어로 변환되는 고급 언어 (예: C)
  • 코드 전체가 저급 언어로 변환되는 과정을 컴파일
  • 컴파일을 도와주는 도구를 컴파일러
  • 컴파일러를 통해 저급 언어로 변환 된 코드를 목적 코드
• 인터프리터 언어
  • 인터프리터에 의해 1줄씩 실행되는 고급 언어 (예: 파이썬)
  • 한 줄씩 저급 언어로 변환하여 실행을 도와주는 도구를 인터프리터
  • 일반적으로 컴파일 언어가 더 빠름

목적파일과 실행파일은 같지 않음. 목적파일에 다른 파일을 연결짓는 링킹이라는 작업이 필요함.

• 명령어: 연산코드 + 오퍼랜드
• 연산코드: 명령어가수행할 연산 (연산자)
  • 데이터 전송
  • 산술/논리 연산
  • 제어 흐름 변경
  • 입출력 제어
• 오퍼랜드: 연산에 사용할 데이터 (피연산자=주소필드)
• 즉시 주소 지정 방식: 연산에 사용할 데이터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시하는 방법
  • 표현할 수 있는 데이터의 크기는 작아지지만
  • 연산에 사용할 데이터를 메모리나 레지스터로부터 찾는 과정이 없기에 속도가 빠름
• 직접 주소 지정 방식: 오퍼랜드 필드에 유효 주소를 직접적으로 명시하는 방식
  • 표현할 수 있는 데이터의 크기는 커졌지만, 연산 코드의 비트 수 만큼 줄어듬
• 간접 주소 지정 방식: 유효 주소의 주소
• 레지스터 주소 지정 방식: 유효 주소 (레지스터 이름)
• 레지스터 간접 주소 지정 방식: 유효 주소를 저장한 레지스터
• 스택: 후입선출, LIFO(Last In First Out) 자료구조
• 큐: 선입선출, FIFO (First In First Out) 자료구조

Chapter02. 데이터

컴퓨터는 0과 1밖에 이해하지 못하며 0과 1을 나타내는 가장 작은 단위를 비트(Bit)라고 함

바이트(Byte)는 8개의 비트를 묶은 단위

데이터는 이진수, 10진수, 16진수로 표현하는데,

이진수는 0b를 앞에 붙여서 이진수임을 표현할 수 있음 (0b1000)

16진수는 0x를 앞에 붙여 16진수임을 표현할 수 있음(0x15)

우리가 이해하기 편한 10진수 대신 16진수는 쓰는 이유는 “16진수와 2진수 변환하기 쉽기 때문”

16진수 : 1A2B

2진수 : 0001 1010 0010 1011

이진수를 십진수로 변환하는 것은 복잡하기에 이진수를 16진수로 표현함.

0과 1을 문자로 표현하는 방법

• 문자 집합: 컴퓨터가 인식하고 표현할 수 있는 문자의모음
  • 예를 들어{a,b,c,d,e}인 경우 이해가능, 그외 불가능
• 문자 인코딩: 문자를 0과 1로 변환하는 과정
• 문자 디코딩: 0과 1로 이루어진 문자 코드를 사람이 이해하는 문자로 변환하는 과정
• 아스키 코드: 초창기 문자 집합 중 하나로, 영어 알파벳과 아라비아 숫자, 일부 특수문자 포함
  • 총 128개의 문자를 표현(0~127)

Chapter01. 컴퓨터 구조 시작하기

명령어는 컴퓨터를 작동시키는 정보이고, 데이터는 명령어를 위해 존재하는 일종의 재료.

컴퓨터의 핵심부품은 중앙처리장치(CPU), 주기억장치(메모리), 보조기억장치, 입출력장치

• 메모리: 현재 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장하는 부품
  • 프로그램이 실행되기 위해서는 반드시 메모리에 저장되어야 한다
  • 메모리는 현재 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장한다
  • 메모리에 저장된 값의 위치로 주소를 알 수 있다
• CPU: 메모리에 저장된 명령어를 읽어 들이고, 읽어 들인 명령어를 해석하고 실행하는 부품
  • 산술논리연산장치(ALU) - 계산기
  • 레지스터 - CPU 내부의 작은 임시 저장 장치
  • 제어장치 - 제어신호라는 전기신호를 보내고 명령어를 해석하는 장치
  • CPU는 메모리에 저장된 값을 읽어들이고, 해석하고, 실행하는 장치다
  • CPU 내부에는 ALU, 레지스터, 제어장치가 있다
  • ALU는 계산기, 레지스터는 임시 저장 장치, 제어장치는 제어신호 발생 및 명령어 해석
• 보조기억장치: 메모리는 가격이 비싸고, 용량이 적고, 전원이 꺼지면 정보를 잃음 → 메모리보다 저렴하고, 용량이 크고, 전원이 꺼져도 정보를 보관하는 장치
• 입출력장치: 모니터, 키보드, 마우스, 스피커, 마이크처럼 컴퓨터 외부에 연결되어 컴퓨터 내부와 정보를 교환하는 장치
• 메인보드: 메인보드에 다양한 부품을 연결하여 서로 정보를 주고 받을 수 있고, 이는 메인보드 내부에 버스라는 통로를 통해 가능함.
• 시스템 버스
  • 주소 버스
  • 데이터 버스
  • 제어 버스

출처: [서적] 혼자공부하는 컴퓨터구조와 운영체제