docs: 운영체제 2

- 운영체제의 핵심 개념과 컴퓨터 성능 향상 기술에 대해 이해합니다

Author: hyoloui

docs/운영체제/02.md

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+title: 컴퓨터의 구조와 성능
+description: 운영체제의 핵심 개념과 컴퓨터 성능 향상 기술에 대해 이해합니다.
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+# 컴퓨터의 구조와 성능
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+## Executive Summary
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+본 문서는 컴퓨터 시스템의 기본 구조, 성능 향상 기술, 그리고 현대적인 병렬 처리 방식에 대한 핵심 원리를 종합적으로 설명합니다.
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+### 핵심 구조: 폰 노이만 구조
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+컴퓨터 시스템의 근간을 이루는 것은 **폰 노이만 구조**로, 모든 프로그램은 **중앙처리장치(CPU)**에 의해 실행되기 전에 반드시 **메인 메모리**에 적재되어야 합니다. 이 구조적 특징으로 인해 메모리는 시스템의 핵심 작업 공간이며, 효율적인 메모리 관리가 운영체제의 주요 과제가 됩니다.
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+### 성능 최적화: 저장장치 계층 구조
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+컴퓨터의 성능은 **저장장치 계층 구조**를 통해 최적화됩니다. 속도가 가장 빠른 레지스터부터 캐시, 메인 메모리, 보조저장장치에 이르기까지 속도, 용량, 비용을 균형 있게 배치하여 시스템 전반의 효율을 극대화합니다. 특히 **CPU**와 **메인 메모리** 간의 속도 차이를 완화하기 위한 **캐시 메모리**는 시스템 성능에 결정적인 역할을 합니다.
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+### 입출력 관리 기술
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+**CPU**의 효율을 저해하는 입출력(I/O) 작업을 독립적으로 처리하기 위해 **인터럽트**와 **직접 메모리 접근(DMA)** 기술이 사용됩니다. 이 기술들은 **CPU**가 입출력 완료를 기다리지 않고 다른 연산을 수행할 수 있게 하여 시스템의 전체 처리량을 높입니다.
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+### 현대적 병렬 처리
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+현대 컴퓨터 시스템은 **멀티프로세싱**을 통해 성능의 한계를 극복합니다. 단일 칩에 여러 개의 처리 코어를 집적한 **멀티코어 시스템**과 하나의 코어에서 여러 작업 단위(스레드)를 동시에 처리하는 **CPU 멀티스레드** 기술은 병렬 처리 능력의 핵심입니다. 이러한 발전은 **무어의 법칙**을 계승하면서도, **암달의 법칙**에 따라 시스템 전체의 균형 잡힌 성능 향상이 중요함을 시사합니다.
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+## 1. 컴퓨터의 기본 구조와 작동 원리
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+컴퓨터 시스템은 상호작용하는 하드웨어 구성 요소들의 집합체이며, 그 작동은 **폰 노이만 구조**라는 핵심 원리에 기반합니다. 프로그램이 실행되는 과정은 고급언어에서 기계어로 변환되는 체계적인 단계를 거칩니다.
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+### 1.1 하드웨어 구성 요소
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+컴퓨터 하드웨어는 기능에 따라 **필수 장치**와 **주변 장치**로 구분됩니다.
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+#### 필수 장치
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+- **중앙처리장치(CPU)**: 프로그램의 명령어를 해석하고 연산을 실행하는 컴퓨터의 두뇌
+  - 제어장치, 산술논리 연산장치(ALU), 레지스터로 구성
+- **메인 메모리(주기억장치)**: 작업에 필요한 프로그램과 데이터를 저장하는 핵심 작업 공간
+  - 바이트 단위로 주소가 부여됨
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+#### 주변 장치
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+- **입력 장치**: 외부 데이터를 컴퓨터로 입력하는 장치 (예: 키보드, 마우스)
+- **출력 장치**: 처리 결과를 사용자가 인지할 수 있는 형태로 출력하는 장치 (예: 모니터, 프린터)
+- **저장 장치(보조저장장치)**: 메모리보다 속도는 느리지만 용량이 크고 저렴하며, 전원이 꺼져도 데이터가 영구적으로 보존됨
+  - **자성 이용**: 하드디스크, 플로피디스크
+  - **레이저 이용**: CD, DVD, Blu-ray
+  - **메모리 이용**: USB 드라이버, SD 카드, SSD
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+#### 메인보드
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+**CPU**, 메모리 등 모든 부품을 연결하는 기반이 되는 회로 기판으로, 각 장치들은 **버스(bus)**라는 데이터 통로를 통해 연결됩니다.
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+### 1.2 폰 노이만 구조 (Von Neumann Architecture)
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+현대 컴퓨터 시스템의 기본 모델로, **CPU**, 메모리, 입출력장치, 저장장치가 **버스**로 연결된 구조를 말합니다. 이 구조의 가장 큰 특징은 **프로그램 내장 방식**으로, 모든 프로그램은 실행되기 위해 반드시 보조저장장치에서 **메인 메모리**로 옮겨져야(적재되어야) 한다는 점입니다. 이로 인해 **메인 메모리**는 시스템의 유일한 작업 공간이 되며, 메모리 공간의 크기와 관리 방식이 시스템 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.
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+#### "요리사 모형" 비유
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+- **요리사**: `CPU`
+- **도마**: `메인 메모리`
+- **보관 창고**: `보조저장장치`
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+요리사가 요리를 하려면 재료를 보관 창고에서 도마 위로 가져와야 하듯이, **CPU**가 프로그램을 실행하려면 데이터를 저장장치에서 메모리로 가져와야 합니다. 도마가 작으면 재료를 한 번에 다 올릴 수 없어 작업 효율이 떨어지는 것처럼, **메인 메모리**가 작으면 컴퓨터 속도가 느려집니다.
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+### 1.3 프로그램 실행 과정
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+프로그램은 소스 코드 작성부터 컴퓨터가 이해하는 기계어 코드로 변환되어 실행되기까지 여러 단계를 거칩니다.
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+| 용어                        | 설명                                                                                                 |
+| --------------------------- | ---------------------------------------------------------------------------------------------------- |
+| **고급 언어**               | 사람이 이해하기 쉬운 단어와 문법으로 구성된 프로그래밍 언어 (예: C, Java)                            |
+| **저급 언어**               | 기계가 이해하기 쉬운 언어로, 어셈블리어와 기계어가 포함됨                                            |
+| **컴파일러(Compiler)**      | 고급 언어로 작성된 소스 코드 전체를 기계어로 번역하여 실행 파일을 생성하는 프로그램                  |
+| **인터프리터(Interpreter)** | 소스 코드를 한 줄씩 번역하여 즉시 실행하는 프로그램. 실행 파일을 생성하지 않음                       |
+| **어셈블러(Assembler)**     | 어셈블리어를 기계어로 번역하는 프로그램                                                              |
+| **링커(Linker)**            | 컴파일된 목적 프로그램(오브젝트 코드)과 라이브러리 파일 등을 연결하여 하나의 실행 가능한 모듈을 생성 |
+| **로더(Loader)**            | 실행 가능한 프로그램을 보조저장장치에서 메인 메모리로 적재하여 실행을 준비하는 시스템 소프트웨어     |
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+> **데이터 구조**: 운영체제에서는 데이터를 효율적으로 관리하기 위해 `큐(FIFO)`, `스택(LIFO)`, `배열`, `연결 리스트` 등의 자료구조를 필수적으로 사용합니다.
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+## 2. 중앙처리장치(CPU)와 메모리
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+**CPU**는 명령어 처리의 주체이며, 메모리는 그 작업 공간입니다. 두 장치의 긴밀한 상호작용이 컴퓨터의 모든 연산을 가능하게 합니다.
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+### 2.1 CPU의 내부 구조와 동작
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+**CPU**는 세 가지 핵심 요소로 구성되어 협업을 통해 명령어를 처리합니다.
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+| 구성 요소                   | 역할                                                             | 요리사 모형 비유 |
+| --------------------------- | ---------------------------------------------------------------- | ---------------- |
+| **산술논리 연산장치(ALU)**  | 덧셈, 뺄셈 등 산술 연산과 AND, OR 등 논리 연산을 수행            | 요리             |
+| **제어 장치(Control Unit)** | CPU 내외부 장치에 작업 지시 신호를 보내고 전체 흐름을 제어       | 작업 지시        |
+| **레지스터(Register)**      | 연산에 필요한 데이터를 CPU 내부에 임시로 보관하는 고속 저장 공간 | 재료 임시 보관   |
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+### 2.2 주요 레지스터의 종류와 역할
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+레지스터는 용도에 따라 **범용 레지스터**와 **특수 목적 레지스터**로 나뉩니다.
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+| 구분     | 레지스터                       | 특징                                          |
+| -------- | ------------------------------ | --------------------------------------------- |
+| **범용** | **데이터 레지스터 (DR)**       | 메모리에서 가져온 데이터를 임시로 저장        |
+|          | **주소 레지스터 (AR)**         | 데이터나 명령어가 저장된 메모리 주소를 저장   |
+| **특수** | **프로그램 카운터 (PC)**       | 다음에 실행할 명령어의 메모리 주소를 저장     |
+|          | **명령어 레지스터 (IR)**       | 현재 실행 중인 명령어를 저장                  |
+|          | **메모리 주소 레지스터 (MAR)** | CPU가 접근하려는 메모리 주소를 저장           |
+|          | **메모리 버퍼 레지스터 (MBR)** | 메모리에서 읽어오거나 쓸 데이터를 임시로 저장 |
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+### 2.3 메모리 종류와 메모리 보호
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+메모리는 전원 유지 여부에 따라 **휘발성 메모리**와 **비휘발성 메모리**로 구분됩니다.
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+#### 휘발성 메모리 (RAM)
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+전원이 꺼지면 데이터가 사라집니다.
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+- **DRAM**: 주기적으로 데이터 재충전이 필요하며, 일반적인 메인 메모리로 사용됨
+- **SRAM**: 전원이 공급되는 동안 데이터를 유지하며, 속도가 빨라 캐시 메모리에 사용됨
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+#### 비휘발성 메모리 (ROM)
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+전원이 꺼져도 데이터가 유지됩니다.
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+- **플래시 메모리**: SSD, USB 드라이버 등에 사용됨
+- **롬(ROM)**: 주로 바이오스(BIOS)와 같이 변경 가능성이 거의 없는 시스템 정보를 저장
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+#### 메모리 보호
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+시분할 시스템에서는 여러 프로그램이 메모리를 공유하므로, 한 프로세스가 다른 프로세스나 운영체제의 영역을 침범하지 못하도록 보호해야 합니다. 이를 위해 **CPU**는 하드웨어적으로 **경계 레지스터(Bound Register)**와 **한계 레지스터(Limit Register)**를 사용하여 현재 실행 중인 프로세스가 접근할 수 있는 메모리 주소 범위를 제한하고 감시합니다.
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+## 3. 컴퓨터 성능 향상 기술
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+컴퓨터 시스템은 **CPU**, 메모리, 저장장치 등 속도가 다른 장치들 간의 병목 현상을 해결하고 전반적인 처리 효율을 높이기 위해 다양한 기술을 사용합니다.
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+### 3.1 속도 차이 완화: 버퍼와 캐시
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+#### 버퍼(Buffer)
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+속도가 다른 두 장치 간에 데이터를 일시적으로 저장하여 속도 차이를 완화하는 메모리 공간입니다.
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+#### 스풀(Spool)
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+**CPU**와 입출력장치가 독립적으로 동작하도록 하는 소프트웨어적 버퍼입니다. 대표적인 예로 **프린터 스풀러**가 있으며, 인쇄 데이터를 스풀에 저장해두고 **CPU**는 다른 작업을 계속할 수 있게 합니다.
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+#### 캐시(Cache)
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+**CPU**와 **메인 메모리** 사이의 속도 차이를 극복하기 위해 사용되는 고속 임시 저장 장소입니다.
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+**작동 원리**: **CPU**는 메모리 접근 전 캐시를 먼저 확인합니다. 원하는 데이터가 캐시에 있으면 **캐시 히트(Cache Hit)**, 없으면 **캐시 미스(Cache Miss)**가 발생합니다. 캐시 히트 비율(적중률)이 높을수록 성능이 향상됩니다.
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+**쓰기 정책**:
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+- **즉시 쓰기(Write-through)**: 캐시 데이터 변경 시 즉시 메모리에 반영하여 데이터 일관성을 유지하지만 속도가 느림
+- **지연 쓰기(Write-back)**: 변경된 내용을 모아 주기적으로 메모리에 반영하여 속도는 빠르지만, 일시적인 데이터 불일치가 발생할 수 있음
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+**계층 구조**: **CPU**와 가까운 순서대로 `L1 캐시`(명령어/데이터 분리)와 `L2 캐시`(일반)로 구성되어 계층적으로 데이터를 관리합니다.
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+### 3.2 저장장치 계층 구조 (Storage Hierarchy)
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+속도가 빠르고 비싼 저장장치를 **CPU** 가까이에, 느리고 저렴한 대용량 저장장치를 바깥쪽에 배치하는 구조입니다. 이를 통해 사용자는 합리적인 비용으로 빠른 속도와 큰 저장 공간을 동시에 확보할 수 있습니다.
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+**계층**: `레지스터` > `캐시` > `메인 메모리` > `보조저장장치`
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+### 3.3 효율적인 입출력(I/O) 관리
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+#### 인터럽트(Interrupt)
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+입출력장치가 작업을 완료했을 때 **CPU**에 완료 신호를 보내는 방식입니다. **CPU**가 주기적으로 장치 상태를 확인하는 **폴링(Polling)** 방식과 달리, **CPU**는 입출력이 진행되는 동안 다른 작업을 처리할 수 있어 시스템 효율이 크게 향상됩니다.
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+#### 직접 메모리 접근(DMA, Direct Memory Access)
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+입출력 관리자(**DMA 컨트롤러**)가 **CPU**의 개입 없이 직접 메모리에 접근하여 데이터를 전송하는 기술입니다. 이를 통해 **CPU**는 입출력 관련 부담에서 벗어나 본연의 연산 작업에 집중할 수 있습니다.
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+#### 사이클 훔치기(Cycle Stealing)
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+**CPU**와 **DMA**가 동시에 메모리 접근을 시도할 때, 시스템 버스 제어권이 **DMA**에 양보되는 현상입니다. 이는 **CPU**의 사이클을 잠시 "훔치는" 것과 같지만, 전체 시스템 성능 향상에 기여합니다.
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+## 4. 멀티프로세싱과 병렬 처리
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+단일 프로세서의 성능 향상이 한계에 도달하면서, 여러 개의 처리 장치를 사용하여 작업을 병렬로 수행하는 **멀티프로세싱** 기술이 보편화되었습니다.
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+### 4.1 멀티프로세서와 멀티코어
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+#### 멀티프로세서 시스템
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+하나의 컴퓨터에 두 개 이상의 물리적인 **CPU**를 장착하여 성능을 높이는 시스템입니다. 모든 프로세서는 **메인 메모리**를 공유합니다.
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+#### 멀티코어 시스템
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+단일 **CPU** 칩 내에 여러 개의 핵심 처리 장치, 즉 **코어(Core)**를 집적한 구조입니다. 이를 통해 물리적인 공간을 절약하면서 **멀티프로세싱**과 유사한 효과를 얻습니다. (예: 듀얼코어, 쿼드코어)
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+### 4.2 CPU 멀티스레드와 명령어 병렬 처리
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+#### 명령어 병렬 처리
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+하나의 코어 내에서 여러 개의 명령어를 동시에 처리하는 기술입니다.
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+#### CPU 멀티스레드
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+하나의 코어가 여러 개의 **스레드(Thread)**, 즉 작업의 논리적 단위를 동시에 처리하여 코어의 활용률을 극대화하는 기술입니다. 현대의 **CPU**는 **멀티코어**와 **멀티스레드** 기술을 결합하여 높은 병렬 처리 성능을 제공합니다.
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+### 4.3 성능 관련 법칙
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+#### 무어의 법칙(Moore's Law)
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+반도체 집적회로의 성능이 24개월마다 2배로 증가한다는 법칙입니다. 최근에는 클럭 속도 향상 대신 코어 수를 늘리는 방식으로 이 법칙을 이어가고 있습니다.
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+#### 암달의 법칙(Amdahl's Law)
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+시스템의 일부만 개선될 때 전체 시스템의 성능 향상은 그 개선된 부분의 비율에 의해 제한된다는 법칙입니다. 즉, **CPU** 속도를 아무리 높여도 메모리나 저장장치 등 다른 부분의 속도가 따라오지 못하면 전체 성능 향상에는 한계가 있습니다. 이는 시스템의 균형 잡힌 발전이 중요함을 시사합니다.