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[BOOK] 운영체제와 컴퓨터, 메모리 본문
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- 컴퓨터는 운영체제, CPU, 메모리 등으로 이루어져 있다.
- 운영체제 : 소프트웨어(유저 프로그램)를 관리하는 일꾼
- CPU
- 메모리
- 운영체제의 역할과 구조
- 운영체제의 역할
- CPU 스케줄링과 프로세스 관리 : CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리한다.
- 메모리 관리 : 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마큼 할당해야 하는지 관리한다.
- 디스크 파일 관리 : 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리한다.
- I/O 디바이스 관리 : I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리한다.
- 운영체제의 구조
- 유저 프로그램이 맨 위에 있고 GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버가 있으며 가장 밑에 하드웨어가 있는 구조.
GUI, 시스템콜, 커널 드라이버 부분을 운영체제라고 한다.
GUI가 없고 CUI만 있는 리눅스 서버도 있다.- GUI : 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태, 단순 명령어 창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호 작용할 수 있도록 해준다.
- 드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
- CUI : 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스
- 시스템콜
- 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스
- 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 쓴다.
- 유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩(trap)을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인한 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다.
- I/O 요청 : 입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일
- 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있고 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있다.
- 프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달된다.
- 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있다.
- modebit
- 시스템콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분한다.
- 카메라, 키보드 등 I/O 디바이스는 운영체제를 통해서만 작동해야 한다.
- 커널 모드를 거쳐 운영체제를 통해 작동한다고 해도 100% 막을 수는 없지만, 운영체제를 통해 작동하게 해야 막기가 쉽다.
- modebit의 0은 커널 모드, 1은 유저 모드라고 설정됨.
- 유저 모드 : 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드
- 커널 모드 : 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드
- 커널 : 운영체제의 핵심 부분이자 시스템콜 인터페이스를 제공하며 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 한다.
- 유저 프로그램이 맨 위에 있고 GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버가 있으며 가장 밑에 하드웨어가 있는 구조.
- 컴퓨터의 요소
- CPU(Central Processing Unit)
- 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치
- 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행한다.
- 관리자 역할을 하는 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스를 만들면 일꾼인 CPU가 이를 처리한다.
- 제어장치(CU, Control Unit)
- 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품
- 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.
- 레지스터
- CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치
- CPU와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠르다.
- CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.
- 산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)
- 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로
- CPU의 연산 처리*
- 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드한다. 또한 레지스터에도 로드한다.
- 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령한다.
- 제어장치가 계산된 값을 다시 '레지스터에서 메모리로' 계산한 값을 저장한다.
- 인터럽트
- 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것
- 키보드, 마우스 등 IO 디바이스로 인한 인터럽트,
0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생한다. - 하드웨어 인터럽트
- 키보드를 연결한다거나 마우스를 연결하는 일 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트
- 소프트웨어 인터럽트
- 트랩(trap)이라고도 한다.
- 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다.
- DMA 컨트롤러
- I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치
- CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주며
CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼 - 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다.
- 메모리
- 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치
- RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고 한다.
- CPU는 계산을 담당하고, 메모리는 기억을 담당한다.
- 공장에 비유하자면 CPU는 일꾼이고, 메모리는 작업장이며, 작업장의 크기가 곧 메모리의 크기.
작업장이 클수록 창고에서 물건을 많이 가져다 놓고 많은 일을 할 수 있듯이 메모리가 크면 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있다.
- 타이머
- 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재한다.
- 디바이스 컨트롤러(device controller)
- 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU
- CPU(Central Processing Unit)
- CPU는 그저 '메모리'에 올라와 있는 프로그램의 명령어들을 실행할 뿐
- 메모리 계층
- 레지스터 : CPU 안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도 가장 빠름, 기억 용량이 가장 적다.
- 캐시 : L1, L2, L3 캐시를 지칭한다. 휘발성, 속도 빠름, 기억 용량이 적다.
- 주기억장치 : RAM을 가리킨다. 휘발성, 속도 보통, 기억 용량이 보통.
- 보조기억장치 : HDD, SSD를 일컬으며 비휘발성, 속도 낮음, 기억 용량이 많다
- 램은 하드디스크로부터 일정량의 데이터를 복사해서 임시 저장하고 이를 필요 시마다 CPU에 빠르게 전달하는 역할
- 계층 위로 올라갈수록 가격은 비싸지는데 용량은 작아지고 속도는 빨라지는 특징이 있다.
- 캐시(cache)
- 데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소이자 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리
- 데이터를 접근하는 시간이 오래 걸리는 경우를 해결하고 무언가를 다시 계산하는 시간을 절약할 수 있다.
- 캐싱 계층 : 속도 차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 있는 계층
- 지역성의 원리
- 캐시를 직접 설정할 때는 자주 사용하는 데이터를 기반으로 설정해야 한다.
- 시간 지역성 : 최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성
- 공간 지역성 : 최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나 그 가까운 공간에 접근하는 특성
- 캐시히트와 캐시미스
- 캐시히트
- 캐시에서 원하는 데이터를 찾았을 경우
- 해당 데이터를 제어장치를 거쳐 가져오게 된다.
- 위치도 가깝고, CPU 내부 버스를 기반으로 작동하기 때문에 빠르다.
- 캐시미스
- 해당 데이터가 캐시에 없다면 주 메모리로 가서 데이터를 찾아오는 것
- 캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법
- 레지스터는 주 메모리에 비하면 굉장히 작고 주 메모리는 굉장히 크기 때문에
작은 레지스터가 캐시 계층으로써 역할을 잘해주려면 이 매핑을 어떻게 하느냐가 중요하다.- 직접 매핑(directed mapping)
- 연관 매핑(associative mapping)
- 집합 연관 매핑(set associative mapping)
- 웹 브라우저의 캐시
- 소프트웨어적인 대표적인 캐시 : 웹 브라우저의 작은 저장소 쿠키, 로컬 스토리지, 세션 스토리지
- 사용자의 커스텀한 정보나 인증 모듈 관련 사항들을 웹 브라우저에 저장해서 추후 서버에 요청할 때 자신을 나타내는 아이덴티티나 중복 요청 방지를 위해 쓰인다.
- 쿠키
- 만료기한이 있는 키-값 저장소
- 4KB까지 데이터를 저장할 수 있고 만료기한을 정할 수 있다.
- 쿠키를 설정할 때는 document.cookie로 쿠키를 볼 수 없게 httponly 옵션을 거는 것이 중요하다.
- 보통 서버에서 만료기한을 정한다.
- 로컬 스토리지
- 만료기한이 없는 키-값 저장소
- 10MB까지 저장할 수 있다.
- 웹 브라우저를 닫아도 유지되고 도메인 단위로 저장, 생성된다.
- HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없으며 클라이언트에서만 수정 가능하다.
- 세션 스토리지
- 만료기한이 없는 키-값 저장소
- 탭 단위로 세션 스토리지를 생성
- 탭을 닫을 때 해당 데이터가 삭제된다.
- 5MB까지 저장 가능하다.
- HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없다.
- 클라이언트에서만 수정 가능하다.
- 캐시히트
- 메모리 관리
- 운영체제의 대표적인 할 일 중 하나가 메모리 관리
- 가상 메모리(virtual memory)
- 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것
- 가상 주소(logical address) : 가상적으로 주어진 주소
- 가상 주소는 메모리관리장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환된다.
- 실제 주소(physical address) : 실제 메모리상에 있는 주소
- 사용자는 실제 주소를 의식할 필요 없이 프로그램을 구축할 수 있게 된다.
- 스와핑
- 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 쓰는 것을 스와핑(swapping)이라고 한다.
- 페이지 폴트
- 프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우에 발생한다.
- 페이지 폴트와 그로 인한 스와핑 과정
- CPU는 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지가 없으면 트랩을 발생해서 운영체제에 알린다.
- 운영체제는 CPU의 동작을 잠시 멈춘다.
- 운영체제는 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고,
없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어 있는 프레임이 있는지 찾는다.
물리 메모리에도 없다면 스와핑이 발동된다. - 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블을 최신화한다.
- 중단되었던 CPU를 다시 시작한다.
- 페이지(page) : 가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위
- 프레임(frame) : 실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위
- 스레싱(thrashing)
- 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미하며, 이는 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래한다.
- 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나서 발생하는 것
- 페이지 폴트가 일어나면 CPU 이용률이 낮아진다.
- CPU 이용률이 낮아지게 되면 운영체제는 "CPU가 한가한가?"라고 생각하여 가용성을 더 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올리게 된다.
- 이를 해결하기 위한 방법으로는
메모리에 늘리거나, HDD를 사용한다면 HDD를 SSD로 바꾸는 방법이 있다. - 작업 세트(working set)
- 미리 메모리에 로드하면 탐색에 드는 비용을 줄일 수 있고 스와핑 또한 줄일 수 있다.
- PFF(Page Fault Frequency)
- 페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법
- 상한선에 도달한다면 프레임을 늘리고 하한선에 도달한다면 프레임을 줄이는 것
- 메모리 할당
- 연속 할당 : 메모리에 '연속적으로' 공간을 할당하는 것
- 고정 분할 방식(fixed partition allocation)
- 메모리를 미리 나누어 관리하는 방식
- 단점 :
메모리가 미리 나뉘어 있기 때문에 융통성이 없다.
내부 단편화 발생.
- 가변 분할 방식(variable partition allocation)
- 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용한다.
- 내부 단편화는 발생하지 않고, 외부 단편화는 발생할 수 있다.
- 최초적합 : 위쪽이나 아래쪽부터 시작해서 홀을 찾으면 바로 할당한다.
- 최적적합 : 프로세스의 크기 이상인 공간 중 가장 작은 홀부터 할당한다.
- 최악적합 : 프로세스의 크기와 가장 많이 차이가 나는 홀에 할당한다.
- 홀(hole) : 할당할 수 있는 비어 있는 메모리 공간이다.
- 고정 분할 방식(fixed partition allocation)
- 불연속 할당
- 현대 운영체제가 쓰는 방법
- 메모리를 동일한 크기의 페이지(보통 4KB)로 나누고 프로그램마다 페이지 테이블을 두어 이를 통해 메모리에 프로그램을 할당하는 것
- 페이징(paging)
- 동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당한다.
- 홀의 크기가 균일하지 않은 문제가 없어지지만 주소 변환이 복잡해진다.
- 세그멘테이션(segmentation)
- 페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트(segment)로 나누는 방식
- 프로세스는 코드, 데이터, 스택, 힙 등으로 이루어지는데
코드와 데이터 등 이를 기반을 나눌 수도 있으며 함수 단위로 나눌 수도 있음을 의미한다. - 공유와 보안 측면에서 좋으며 홀 크기가 균일하지 않은 문제가 발생된다.
- 페이지드 세그멘테이션(paged segmentation)
- 공유나 보안을 의미 단위의 세그먼트로 나누고, 물리적 메모리는 페이지로 나누는 것
- 연속 할당 : 메모리에 '연속적으로' 공간을 할당하는 것
- 페이지 교체 알고리즘
- 오프라인 알고리즘
- 먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘
- 가장 좋은 방법이지만, 미래에 사용되는 프로세스를 알 수 없어서 사용할 수 없는 알고리즘
- FIFO(First In First Out) : 가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 놓는 방법
- LRU(Least Recentle Used)
- 참조가 가장 오래된 페이지를 바꾼다
- '오래된'것을 파악하기 위해 각 페이지마다 계수기, 스택을 두어야 하는 문제점이 있다.
- 보통 해시 테이블과 이중 연결 리스트로 구현한다.
- 해시 테이블은 이중 연결 리스트에서 빠르게 찾을 수 있도록 쓰고,
이중 연결 리스트는 한정된 메모리를 나타낸다.
- 해시 테이블은 이중 연결 리스트에서 빠르게 찾을 수 있도록 쓰고,
- LFU(Least Frequently Used) : 가장 참조 횟수가 적은 페이지를 교체한다.
- 오프라인 알고리즘
출처 : 면접을 위한 CS 전공지식 노트
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