[운영체제] 3. 컴퓨터의 구조

1. 컴퓨터의 기본 구성

1) 하드웨어의 구성

컴퓨터

• 계산하는 기계

• 프로그램 코드를 정해진 순서대로 실행하는 기능 수행

• 데이터를 읽어서(Read) 처리(Processing)하고 저장(Store)

• 컴퓨터 정보들의 전송 통로를 제공하고, 정보 처리를 수행하는 물리적 실체

• 컴퓨터 시스템은 크게 하드웨어와 소프트웨어로 구분

 

• 컴퓨터의 5대 기능

- 입력: 컴퓨터 외부의 데이터를 컴퓨터 내부로 읽어오는 기능

- 기억: 프로그램이나 데이터를 저장하는 기능

- 연산: 사칙 연산 수행

- 제어: 입력, 출력, 연산, 기억 기능 등을 제어하고 감독하는 기능

- 출력: 컴퓨터 내부의 정보를 컴퓨터 외부로 출력하는 기능

 

• 컴퓨터의 구성

- 필수 장치: 중앙처리장치(CPU), 메인 메모리(대부분의 작업 수행)

- 주변 장치: 입력 장치, 출력 장치, 저장 장치

 

CPU와 메모리

• CPU(중앙처리장치): 명령어를 해석하여 실행하는 장치로, 인간의 두뇌 역할 수행

 

• 메모리

- 작업에 필요한 프로그램과 데이터를 저장하는 장소

- 바이트 단위로 분할되어 있으며, 각 공간은 주소로 구분

- 주기억 장치와 보조기억 장치로 구성

 

입출력 장치

• 입력 장치: 외부 데이터를 컴퓨터에 입력하는 장치

• 출력 장치: 컴퓨터에서 처리한 결과를 출력하는 장치

 

보조 기억 장치

• 주기억 장치보다 느리지만 저렴하고 용량이 큼

• 전원의 온·오프와 관계없이 데이터를 영구 저장

• 저장 용량 대비 가격이 저렴하여 사용

 

• 종류

- 자성 이용 장치: 카세트 테이프, 플로피 디스크, 하드디스크 등

- 레이저 이용 장치: CD, DVD, 블루레이디스크 등

- 메모리 이용 장치: USB 드라이버, SD 카드, CF 카드, SSD 등

 

메인 보드

• CPU와 메인 메모리 등 다양한 부품을 연결하는 커다란 판

• 다양한 장치들을 버스(Bus) 로 연결 (데이터 전송 통로 역할)

• 그래픽 카드, 사운드 카드, 랜 카드 등이 기본 장착되거나 추가 가능

 

2) 폰 노이만 구조

• CPU, 메모리, 입출력 장치, 저장 장치가 버스로 연결된 구조

• 프로그램 내장 방식이라고도 불림

• 프로그램은 하드디스크와 같은 저장 장치에 보관됨

 

• 폰 노이만 구조의 특징:

- 저장 장치에서 바로 실행 불가, 반드시 메인 메모리로 로드 후 실행

- 메인 메모리가 유일한 작업 공간으로, 메모리 관리가 중요한 이슈

 

 

 

2. 컴퓨터 시스템의 동작

1) 컴퓨터 시스템의 작업 처리 순서

• 입력 장치로 정보를 입력받아 메모리에 저장

• 프로그램 제어에 따라 정보를 인출하여 연산 장치에서 처리

• 처리한 정보를 출력 장치에 표시하거나 보조 기억장치에 저장

 

2) 명령어와 데이터

• 입력 장치를 통해 컴퓨터로 유입되는 정보

• 명령어: 실행할 산술·논리 연산을 명시하는 문장

• 명령어 집합이 프로그램을 구성하며, 프로그램은 기계 명령어(0과 1)로 변환되어야 실행 가능

 

3) 명령어의 구조

(1) 명령어의 기본 구조

• 연산 부호(OP Code, Operation Code)

- 프로세서가 실행할 연산을 지정 (예: 산술 연산, 논리 연산, 시프트 연산 등)

- n비트 연산 부호는 최대 2^n 개 연산 수행 가능

 

• 피연산자(Operand)

- 연산할 데이터의 위치 정보 저장 (메모리, 레지스터 등)

 

(2) 직접 주소와 간접 주소

• 직접 주소(Direct Address): 피연산자의 메모리 또는 레지스터 주소 지정

• 간접 주소(Indirect Address): 피연산자의 주소 정보를 저장하고 해당 주소를 참조

 

4) 명령어 실행 과정

(1) 명령어 인출

(2) 명령어 해석 및 프로그램 카운터 변경

(3) 피연산자 인출

(4) 명령어 실행

(5) 결과 저장

(1) 다음 명령어 인출 반복

 

 

 

3. CPU와 메모리

1) CPU의 구성과 동작

• 산술논리 연산 장치(ALU): 산술 연산(+, -, *, /) 및 논리 연산(AND, OR, NOT) 수행

• 제어 장치(Control Unit): CPU에서 작업을 지시

• 레지스터(Register): CPU 내부에서 작업에 필요한 데이터 보관

 

레지스터의 종류

• 데이터 레지스터(DR): 메모리에서 가져온 데이터를 임시 보관

• 주소 레지스터(AR): 데이터 또는 명령어가 저장된 메모리 주소 저장

• 프로그램 카운터(PC): 다음 실행할 명령어 주소 저장

• 명령어 레지스터(IR): 현재 실행 중인 명령어 저장

• 메모리 주소 레지스터(MAR): 데이터를 메모리에서 가져오거나 보낼 때 사용

• 메모리 버퍼 레지스터(MBR): 메모리로부터 가져오거나 옮겨갈 데이터를 임시 저장

 

2) 메모리의 종류 및 부팅 과정

메모리의 종류

• 휘발성 메모리

- DRAM: 일정 시간마다 재생 필요

- SRAM: 전력 공급 시 데이터 유지

- SDRAM: 클럭 틱 발생 시마다 데이터 저장

 

• 비휘발성 메모리

- 플래시 메모리: 전력 없이 데이터 유지 가능

- SSD: 빠른 접근 속도, 저전력, 높은 내구성

 

롬(ROM)의 종류

• 마스크 롬: 데이터 수정 불가

• PROM: 한 번만 데이터 저장 가능

• EPROM: 여러 번 데이터 저장 및 삭제 가능

 

메모리 보호

• 경계 레지스터(Bound Register)와 한계 레지스터(Limit Register) 사용

• 하드웨어 수준에서 메모리 보호 수행

 

부팅

• 컴퓨터 전원을 켠 후 운영체제를 메모리에 로드하는 과정

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이 내용은 휴넷사회복지평생교육원의 운영체제 강의를 듣고 정리한 것입니다.