OS – 컴퓨터의 구조와 성능 향상

폰 노이만 구조

CPU, 메모리, 저장장치,입출력장치가 버스로 연결되어있는 구조

CPU 클럭 주파수
클럭: CPU 연산
주파수: 초당 클럭 수
hz: 주파수 단위, 컴퓨터의 작업 속도를 타나내는 단위
Ex) 3.4 Ghz = CPU가 1초에 약 34억번의 연산을 함

버스
시스템 버스(FSB): 메모리와 주변 장치를 연결하는 버스
BSB: CPU 내부 장치를 연결하는 버스
-> CPU는 BSB로 작동, 메모리는 FSB로 작동 -> 두 버스의 속도 차이로 인하여 작업이 지연될 수 있음 -> Cache로 해결

CPU의 구성
산술논리 연산장치(ALU) – 논리 연산 수행
제어장치 – CPU에서 작업을 지시하는 부분
레지스터 – CPU 내에서 데이터를 임의로 보관하는 곳

주요 레지스터의 종류와 특징

버스(FSB)의 종류

제어 버스 – CPU 제어장치와 연결된 버스
주소 버스 – 메모리 주소 레지스터와 연결된 버스
데이터 버스 – 메모리 버퍼 레지스터와 연결된 버스

버스 대역폭: 한 번에 전달할 수 있는 데이터의 최대 크기

메모리 보호 방법: 경계, 한계 레지스터를 이용한다.

부팅

컴퓨터를 켰을 때 운영체제를 메모리에 올리는 과정

ROM이 갖고 있는 바이오스를 실행한다.
바이오스는 CPU, 메모리, 하드디스크, 키보드, 마우스와 같은 주요 하드웨어가 제대로 작동하는지 확인한다.
부트 스트랩 코드(운영체제를 실행하기 위한코드)를 메모리에 올리고 실행한다. 부트 스트랩 코드는 보통 하드디스크의 첫 번째 섹터에 위치한다.
부트스트랩 코드가 운영체제를 실행한다.

버퍼, 스풀, 캐시

버퍼
속도에 차이가 있는 두 장치 사이에서 그 차이를 완화하는 역할을 하는 장치
(주기억 장치를 버퍼로 사용한다)

스풀
CPU와 입출력장치 사이의 속도 차이를 완화하기 위해 고안된 소프트웨어적인 버퍼
(디스크를 버퍼로 사용한다)

캐시
메모리와 CPU간의 속도 차이를 완화히기 위해 메모리의 데이터를 미리 가져와 저장해두는 임시 장소
(CPU는 캐시를 방문해서 원하는 데이터가 있는지 없는지 보고 없으면 메모리로 감)
(메인 메모리는 DRAM, 캐시는 SRAM 사용)

캐시의 구조

캐시 히트: 캐시에서 원하는 데이터를 찾고 바로 사용
캐시 미스: 원하는 데이터가 캐시에 없으면 메모리로 가서 데이터를 찾음
캐시 적중률: 캐시 히트가 되는 비율 (일반적인 컴퓨터의 캐시 적중률은 약 90%)
-> 캐시에 적중되는 횟수/전체 접근된 횟수

(문제) 캐시와 주기억장치로 구성된 컴퓨터에서 주기억장치의 접근 시간이 200ns, 캐시 적중률이 0.9, 평균 접근 시간이 30ns일 때 캐시 메모리의 접근 시간은?

정답: 10
풀이: 캐시 메모리의 접근 시간을 x라고 했을 때, 0.9x+0.1(x+200)=30이 된다. 왜냐하면 90%는 캐시에 접근하고 10%는 캐시에 접근했다가 주기억 장치에 접근하기 때문이다. [적중률 x 캐시 접근 시간]과 [(1-적중률) x (캐시 접근 및 메모리 접근 시간)]을 합치면 평균 접근 시간이 나온다. 캐시 접근 시간(x)는 위 방정식을 풀면 나온다.

(문제) 주기억 장치의 접근 시간이 700ns이고 캐시의 접근 시간이 100ns이며 평균 접근 시간이 170ns일 때 적중률은?

정답: 90%
풀이: 적중률을 x라고 했을 때, x(100)+(1-x)(100+700)=170이 된다. 왜냐하면 x%는 캐시에 접근하고 (1-x)%는 캐시에 접근했다가 주기억 장치에 접근하기 때문이다. [적중률 x 캐시 접근 시간]과 [(1-적중률) x (캐시 접근 및 메모리 접근 시간)]을 합치면 평균 접근 시간이 나온다. 적중률(x)은 위 방정식을 풀면 나온다.