[Operating System] 컴퓨터 시스템의 동작 원리

✔ 컴퓨터 시스템의 동작 원리

컴퓨터의 구성

1. 하드웨어 : 컴퓨터를 구성하는 기계적 장치
   • 중앙처리장치(CPU) : 주기억장치에서 프로그램 명령어와 데이터를 읽어와 처리하고 명령어의 수행 순서를 제어
   • 기억장치 : 프로그램, 데이터, 연산의 중간 결과를 저장하는 장치 (RAM, HDD)
   • 입출력 장치 : 컴퓨터 내부로 자료를 입력하거나 외부로 표현하는 장치 (마우스, 프린터)
   • 시스템 버스 : 하드웨어 구성 요소를 물리적으로 연결하는 선으로 데이터를 보내는 통로가 되어줌 (데이터/주소/제어 버스)
2. 소프트웨어 : 하드웨어의 동작을 지시하고 제어하는 명령어 집합
   • 시스템 소프트웨어 : 운영체제, 컴파일러
   • 응용 소프트웨어 : 워드프로세서, 스프레드시트

중앙처리장치(CPU)의 작동 원리

• CPU는 연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성
• CPU의 동작 과정
  1. 주기억장치는 입력장치에서 입력받은 데이터 또는 보조기억장치에 저장된 프로그램을 읽어옴
  2. CPU는 프로그램을 실행하기 위해 주기억장치에 저장된 프로그램 명령어와 데이터를 읽어와
     처리하고 결과를 다시 주기억장치에 저장
  3. 주기억장치는 처리 결과를 보조기억장치에 저장하거나 출력장치로 보냄
  4. 제어 장치는 명령어가 순서대로 실행되도록 각 장치를 제어
• 인출 사이클과 실행 사이클에 의한 명령어 처리 과정
  1. 프로그램 카운터(PC) 값에 저장된 주소를 메모리 주소 레지스터(MAR)로 전달
  2. 전달된 내용을 토대로 주기억장치의 해당 주소에서 명령어 인출
  3. 인출한 명령어를 메모리 버퍼 레지스터(MBR)에 저장
  4. 다음 명령어를 인출하기 위해 프로그램 카운터(PC) 값을 증가시킴
  5. 메모리 버퍼 레지스터(MBR)에 저장된 내용을 명령어 레지스터(IR)에 전달

인터럽트란?

• 인터럽트 : 프로그램을 실행하는 도중에 예기치 않은 상황이 발생할 경우 현재 실행 중인 작업을 즉시 중단하고,
                      발생된 상황에 대한 우선 처리가 필요함을 CPU에게 알리는 것
  1. 외부 인터럽트 : 입출력 장치, 타이밍 장치, 전원 등 외부적인 요인으로 발생
  2. 내부 인터럽트 : 잘못된 명령이나 데이터를 사용할 때 발생
  3. 소프트웨어 인터럽트 : 프로그램 처리 중 명령의 요청에 의해 발생
• 인터럽트 발생 처리 과정
  1. 주 프로그램 실행
  2. 인터럽트 발생
  3. 현재 수행 중인 프로그램을 멈추고, 상태 레지스터와 PC 등(복귀주소)의 프로세스 정보를 스택(프로세스 제어 블록)에 저장
  4. 인터럽트 발생 시 처리해야 할 루틴(인터럽트 핸들러, 인터럽트 서비스 루틴)의 주소를 보관하는 있는 인터럽트 벡터로 점프
  5. 인터럽트 처리
  6. 인터럽트 처리 완료
  7. 복귀주소 로드
  8. 마지막에 실행되던 주소로 점프
  9. 주 프로그램 실행

• 컨트롤러가 입력을 받아들이는 방법
  1. 폴링 방식 : 사용자가 명령어를 사용해 입력 핀의 값을 계속 읽어 변화를 알아내는 방식
  2. 인터럽트 방식 : MCU(마이크로 컨트롤러 유닛)가 하드웨어적으로 변화를 체크하여 변화 시에만 일정한 동작을 하는 방식
• 인터럽트 기능이 없었다면, 컨트롤러는 특정한 어떤 일을 할 시기를 알기 위해 계속 체크를 해야 함
  인터럽트 방식은 하드웨어로 지원을 받아야 하는 제약이 있지만,
  폴링에 비해 신속하게 대응하는 것이 가능하므로 실시간 대응이 필요할 때는 필수적인 기능
  즉, 인터럽트는 발생시기를 예측하기 힘든 경우에 컨트롤러가 가장 빠르게 대응할 수 있는 방법