[운영체제] CPU와 메모리

* CPU의 구성과 동작

CPU는 명령어를 해석하여 실행하는 장치로 요리사 모형에서는 요리사에 해당한다. CPU는 산술논리 연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되며, 이것들의 협업으로 작업을 처리한다.

 

1. 산술논리 연산장치

요리사가 재료를 삶거나 찌거나 볶듯이 CPU에서 데이터를 연산하는 장치가 산술논리 연산장치이다. 산술논리 연산장치는 데이터의 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 같은 산술 연산과 AND, OR 같은 논리 연산을 수행한다.

 

2. 제어장치

요리를 할 때 요리사의 머릿속에는 '도마 위의 재료를 가져와라', '양파껍질을 미리 벗겨놓아라', '다 된 요리를 접시에 담아라' 등의 지시가 이루어진다. 이처럼 CPU에서 작업을 지시하는 부분을 제어장치라고 한다. 제어장치는 명령어를 해석하여 제어 신호를 보내고 CPU 내의 데이터 흐름을 조절하는 역할을 한다.

 

3. 레지스터

자른 쇠고기, 껍질을 깐 양파, 간 마늘과 같이 그 날 쓸 재료를 미리 손질해놓았다면, 요리를 할 때 필요한 만큼 쥐어 냄비에 넣는다. 재료를 필요한 만큼 쥐고 있는 것처럼 CPU 내의 데이터를 임시로 보관하는 곳을 레지스터라고 한다.

 

* 레지스터의 종류

CPU는 필요한 데이터를 메모리에서 가져와 레지스터에 저장하고 산술논리 연산장치를 이용하여 연산을 한 후, 그 결과를 다시 레지스터에 저장했다가 메모리로 옮긴다. 이 때 사용되는 레지스터는 데이터 레지스터와 주소 레지스터이다. 데이터 레지스터와 주소 레지스터는 사용자 프로그램에 의해 변경되기 때문에 사용자 가시 레지스터(User-Visible-Register)라고 부른다. 데이터 레지스터와 주소 레지스터 외에 특별한 용도로 사용되는 레지스터도 있는데 이를 특수 레지스터라고 한다. 특수 레지스터는 사용자가 임의로 변경할 수 없기 때문에 사용자 불가시 레지스터(User-Invisible-Register)라고 부른다. 

 

1. 사용자 가시 레지스터

- 데이터 레지스터(DR) : 데이터 레지스터는 메모리에서 가져온 데이터를 임시로 보관할 때 사용한다. CPU에 있는 대부분의 레지스터가 데이터 레지스터이기 때문에 일반 레지스터 또는 범용 레지스터라고 부른다.

- 주소 레지스터(AR) : 데이터 또는 명령어가 저장된 메모리의 주소는 주소 레지스터에 저장된다.

 

2. 사용자 불가시 레지스터

- 프로그램 카운터(PC) : CPU는 다음에 어떤 명령어를 처리해야 할지 알아야 한다. 프로그램 카운터는 다음에 실행할 명령어의 주소를 기억하고 있다가 제어장치에 알려준다. 다음에 실행할 명령어의 주소를 가리키기 때문에 프로그램 카운터를 명령어 포인터라고도 한다.

- 명령어 레지스터(IR) : 명령어 레지스터는 현재 실행 중인 명령어를 저장한다. 제어장치는 명령어 레지스터에 있는 명령을 해석한 후 외부 장치에 적절한 제어 신호를 보낸다.

- 메모리 주소 레지스터(MAR) : 메모리 주소 레지스터는 메모리에서 데이터를 가져오거나 반대로 메모리로 데이터를 보낼 때 주소를 지정하기 위해 사용한다. 명령어를 처리하는 과정에서 필요한 메모리 주소를 이 레지스터에 넣으면 메모리 관리자가 이를 인식하여 해당 메모리 위치의 데이터를 가져오거나 해당 메모리 위치에 데이터를 저장한다.

- 메모리 버퍼 레지스터(MBR) : 메모리 버퍼 레지스터는 메모리에서 가져온 데이터나 메모리로 옮겨 갈 데이터를 임시로 저장한다. 메모리 버퍼 레지스터는 항상 메모리 주소 레지스터와 함께 동작한다.

- 프로그램 상태 레지스터(PSR) : 프로그램 상태 레지스터는 산술논리 연산장치와 연결되어 있으며 연산 결과가 양수인지, 음수인지, 0이 아닌지 또는 지리 올림의 유무 등을 저장한다.

 

* 버스의 종류

버스는 CPU와 메모리, 주변장치 간에 데이터를 주고받을 때 사용한다. 버스에는 다음 작업을 지시하는 제어 신호, 메모리의 위치 정보를 알려주는 주소, 처리할 데이터가 오고 가며 각각 제어 버스, 주소 버스, 데이터 버스에 실린다. 버스의 대역폭(Bandwidth)은 한 번에 전달할 수 있는 데이터의 최대 크기를 말한다. 4차선 도로는 한 번에 4대의 차가 동시에 다닐 수 있듯이 대역폭의 크기만큼 데이터가 오고 갈 수 있다. 버스의 대역폭은 CPU가 한 번에 처리할 수 있는 데이터의 크기와 같다. 흔히 32Bit CPU. 64Bit CPU라고 하는데 여기서 32Bit, 64Bit는 CPU가 한 번에 처리할 수 있는 데이터의 최대 크기이다.  32Bit CPU는 메모리에서 데이터를 읽거나 쓸 때 한번에 최대 32Bit를 처리할 수 있으며, 이 경우 레지스터의 크기도 32Bit, 버스의 대역폭도 32Bit이다. 버스의 대역폭, 레지스터의 크기, 메모리에 한 번에 저장할 수 있는 데이터의 크기는 항상 같다. 참고로 CPU가 한 번에 처리할 수 있는 데이터의 최대 크기를 워드(Word)라고 하며, 버스의 대역폭과 메모리에 한 번에 저장되는 단위도 워드이다. 32Bit CPU에서 1워드는 32Bit이다.

 

1. 제어버스

제어버스(Control bus)에서는 다음에 어떤 작업을 할지 지시하는 제어 신호가 오고 간다. 메모리에서 데이터를 가져올지, 아니면 처리한 데이터를 옮겨놓을지에 대한 지시 정보가 오고 가는데, 메모리에서 데이터를 가져올 때는 읽기 신호를 보내고, 처리한 데이터를 메모리로 옮겨놓을 때는 쓰기 신호를 보낸다. 주변장치의 경우도 마찬가지로 하드디스크에 저장 명령을 내리거나 사운드카드에 소리를 내라는 명령을 내릴 때 제어 버스를 통해 전달된다. 메모리에서 오류가 발생하거나 네트워크 카드에 데이터가 모두 도착했다는 신호는 모두 제어 버스를 통해 CPU로 전달된다. 제어 버스의 신호는 CPU, 메모리, 주변장치와 양방향으로 오고 간다.

 

2. 주소 버스

주소 버스(Address bus)에서는 메모리의 데이터를 읽거나 쓸 때 어느 위치에서 작업할 것인지를 알려주는 위치 정보(주소)가 오고 간다. 주변장치의 경우도 마찬가지로 하드디스크의 어느 위치에서 데이터를 읽어올지, 어느 위치에 저장할지에 대한 위치 정보가 주소 버스를 통해 전달된다. 주소 버스는 메모리 주소 레지스터와 연결되어 있으며 단방향이다. CPU에서 메모리나 주변장치로 나가는 주소 정보는 있지만 주소 버스를 통해 CPU로 전달되는 정보는 없다.

 

3. 데이터 버스

제어 버스가 다음에 어떤 작업을 할지 신호를 보내고 주소 버스가 위치 정보를 전달하면 데이터가 데이터 버스(Data bus)에 실려 목적지까지 이동한다. 데이터 버스는 메모리 버퍼 레지스터와 연결되어 있으며 양방향이다.

 

* 메모리의 종류

모든 프로그램은 메모리에 올라와야 실행될 수 있다.(폰노이만 구조) 메모리에는 실행에 필요한 프로그램과 데이터가 존재하며, CPU와 협업하여 작업이 이루어진다. 메모리를 이루는 소자 하나의 크기는 1Bit로 0 또는 1이 저장된다. 그러나 소자 하나만으로 데이터를 표현할 수 없어 메모리 주소는 바이트 단위로 지정되고, 메모리에서 데이터를 읽거나 쓸 때는 워드 단위로 움직인다. 버스의 대역폭이 32Bit인데 굳이 1Bit 단위로 데이터를 옮길 필요가 없기 때문이다. 컴퓨터가 발전함에 따라 많은 종류의 메모리가 개발되었다. 메모리는 읽거나 쓸 수 있는 램(RAM)과 읽기만 가능한 롬(ROM)으로 구분된다. 램은 무작위로 데이터를 읽어도 저장된 위치와 상관없이 같은 속도로 데이터를 읽을 수 있다는 의미에서 붙은 이름이다. 램은 전력이 끊기면 데이터가 사라지는 휘발성 메모리와 전력이 끊겨도 데이터를 보관할 수 있는 비휘발성 메모리로 나뉜다. 램과 달리 롬은 전력이 끊겨도 데이터를 보관하는 것이 장점이지만 데이터를 한 번 저장하면 바꿀 수 없다.

 

1. 휘발성 메모리

휘발성 메모리에는 DRAM(Dynamic RAM, 동적 램)과 SRAM(Static RAM, 정적 램)이 있다. DRAM은 저장된 0과 1의 데이터가 일정 시간이 지나면 사라지므로 일정시간마다 다시 재생시켜야 한다. DRAM의 'Dynamic'은 시간이 지나면 데이터가 사라지기 때문에 재생이 필요라다는 의미이다. SRAM은 전력이 공급되는 동안에는 데이터를 보관할 수 있어 재생할 필요가 없다. 따라서 속도는 빠르지만 가격이 비싸다. 일반적으로 메인메모리에는 DRAM을 사용하고, 캐시 같은 고속 메모리에는 SRAM을 사용한다. SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)은 DRAM이 발전된 형태로 SRAM과는 는 완전히 다른 종류의 램이다. SDRAM은 클록틱(펄스)이 발생할 때마다 데이터를 저장하는 동기 RAM이다. 메인메모리를 비휘발성 메모리로 만들면 전력이 끊겨도 내용이 남기 때문에 편리할 수도 있다. 하지만 비휘발성 메모리는 전력이 끊겨도 데이터를 보관해야 하므로 메모리 내부가 복잡하고 속도가 느리며 가격이 비싸다. 그래서 아직도 메인메모리는 휘발성 메모리를 사용하고 있다.

 

2. 비휘발성 메모리

비휘발성 메모리에는 플래시 메모리, FRAM, PRAM 등이 있다. 이 중 플래시 메모리는 디지털 카메라, MP3 플레이어, USB 드라이버 같이 전력이 없어도 데이터를 보관하는 저장장치로 많이 사용된다. 이 외에도 많이 사용되는 비휘발성 메모리는 하드디스크를 대신하도록 만든 SSD이다. SSD는 가격이 비싸지만 빠른 데이터 접근 속도, 저전력, 내구성 때문에 개인용 컴퓨터는 물론 노트북, 스마트폰 등 많은 기기에 사용되고 있다.

 

* 메모리 보호

메모리를 보호하기 위해 CPU는 현재 진행 중인 작업의 메모리 시작 주소를 경계 레지스터(Bound register)에 저장한 후 작업을 한다. 또한 현재 진행중인 작업이 차지하고 있는 메모리의 크기, 즉 마지막 주소까지의 차이를 한계 레지스터(Limit register)에 저장한다. 그리고 사용자의 작업이 진행되는 동안 이 두 레지스터의 주소 범위를 벗어나는지 하드웨어적으로 점검함으로써 메모리를 보호한다. 만약 두 레지스터의 값을 벗어난다면 메모리 오류와 관련된 인터럽트가 발생한다. 인터럽트가 발생하면 모든 작업이 중단되고 CPU는 운영체제를 깨워서 인터럽트를 처리하도록 시킨다. 메모리 영역을 벗어나서 발생한 인터럽트의 경우 운영체제가 해당 프로그램을 강제 종료시킨다. 이처럼 모든 메모리 영역은 하드웨어와 운영체제의 협업에 의해 보호받는다.

 

* 부팅

응용 프로그램은 운영체제가 메모리에 올려서 실행하는데, 그렇다면 운영체제는 누가 메모리에 올려서 실행할까? 운영체제도 CPU에 의해 실행되는 프로그램이기 때문에 당연히 메모리에 올라와야 한다. 따라서 컴퓨터를 켰을 때 누군가가 운영체제를 메모리에 올려서 실행해야 한다. 컴퓨터를 켰을 때 운영체제를 메모리에 올리는 과정을 부팅(Booting)이라 한다. 마스터 부트 레코드는 하드디스크의 첫 번째 섹터를 가리키며, 운영체제를 실행하기 위한 코드인 부트스트랩(Bootstrap)이 이곳에 저장되어 있다. 부트스트랩 코드는 운영체제를 메모리로 가져와 실행하는 역할을 하는 작은 프로그램이다.마스터 부트 레코드에 있는 부트스트랩이 메모리에 올라오면 하드디스크에 저장된 운영체제를 메모리로 불러온다. 따라서 마스터 부트 레코드가 손상되면 운영체제를 실행할 수 없다. 이는 컴퓨터 바이러스의 좋은 공격 대상이 된다. 일부 바이오스는 사용자 옵션 부분에 운영체제 보호 항목을 만들어 마스터 부트 레코드를 수정할 수 없ㄷ게 한다. 만약 새로운 운영체제를 다시 설치한다면 이 운영체제 보호 옵션을 해제해야 한다.