[쉽게 배우는 운영체제] 2장 : 컴퓨터의 구조와 성능 향상 (2/2) [OS]

컴퓨터 향상 기술

CPU와 메모리 간 속도 차이를 개선하고 시스템의 작업 속도를 올리기 위해 개발된 기술이 있다.

 

버퍼

버퍼는 일정량의 데이터를 모아 옮김으로써 두 장치 사이에서 속도의 차이를 완화하는 역할을 한다.

일정량의 데이터를 모아 옮김으로써 속도의 차이를 완화하는 장치다.

 

스풀

스풀은 CPU와 입출력 장치가 독립적으로 동작하도록 고안된 소프트웨어적인 버퍼다.

예)프린터

 

프린터에 사용되는 스풀러는 인쇄할 내용을 순차적으로 출력하는 소프트웨어다.

 

 

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캐시

캐시는 메모리와 CPU 간의 속도 차이를 완화하기 위해 메모리의 데이터를 미리 가져와 저장해두는 임시 장소이다.

 

캐시는 CPU 안에 있으며 CPU 내부 버스의 속도로 작동한다.

 

#즉시 쓰기와 지연 쓰기

즉시 쓰기 : 캐시에 있는 데이터가 변경되면 즉시 메모리 반영

지연 쓰기 : 변경된 내용을 모아서 주기적으로 반영 (카피백)

 

저장장치의 계층 구조

저장장치의 계층 구조는 속도가 빠른 저장장치를 CPU 가까운 곳에 배치하여 성능을 향상시키는 구조이다.

보통 위 그림과 같이 "레지스터 > 캐시 > 메모리 > 저장장치(하드 디스크)" 순서이다.

 

인터럽트

CPU가 모든 입출력에 관여하면 작업 효율이 엄청 떨어진다. 이러한 효율이 떨어지는 것을 방지하기 위해 인터럽트 방식을 사용한다.

 

인터럽트란 CPU가 프로그램 실행 중 예외상황 발생 시, 직접 관여하지 않고 입출력 관리자에게 명령하여 처리한다. 그러면 입출력 관리자는 CPU에게 명령받은 일을 처리 후 완료 신호를 보내는데 이 완료 신호를 인터럽트라 한다.

 

#인터럽트 동작 과정

1. CPU가 입출력 관리자에게 입출력 명령 보냄
2. 입출력 관리자는 데이터를 메모리에 가져다 놓거나 메모리에 있는 데이터를 저장장치로 옮김
3. 처리가 완료되면 입출력 관리자는 CPU에게 완료 신호를 보냄

 

#직접 메모리 접근

CPU는 메모리나 주변장치에 대한 모든 권한을 가지고 있다.

하지만 인터럽트 방식을 사용하려면 입출력 관리자가 메모리 접근을 해야 하는 문제점이 생긴다.

따라서 CPU는 입출력 관리자에게 직접 메모리 접근(DMA) 권한을 준다.

 

#사이클 훔치기

입출력 관리자와 CPU 둘이 동시에 메모리에 접근할 시, CPU는 입출력 관리자에게 메모리 사용 권한을 양보한다. 이를 사이클 훔치기라 한다.

 

병렬 처리

병렬 처리란 동시에 여러 개의 명령을 처리하여 작업의 능률을 올리는 방식이다.

 

#병렬 처리 고려 사항

• 상호 의존성이 없어야 한다.
• 각 단계의 시간을 거의 일정하게 맞춰야 병렬 처리가 원만하게 이루어진다.
• 전체 작업 시간을 몇 단계로 나눌지 고려해야 한다.

 

#병렬 처리 기법

1. 파이프라인 기법

하나의 코어에 여러 개의 스레드를 사용하는 방법

파이프라인 기법의 동작 과정

#파이프라인의 위험

1. 데이터 위험
2. 제어 위험
3. 구조 위험

데이터 위험

데이터의 의존성으로 인해 발생한다.

 

제어 위험

PC 값을 갑자기 변화시켜 발생한다.

 

구조 위험

서로 다른 명령어가 같은 자원에 접근할 때 발생한다.

 

2. 슈퍼스칼라 기법

파이프라인을 처리할 수 있는 코어를 여러 개 구성하여 복수의 명령어가 동시에 실행되도록 하는 방식

슈퍼스칼라 기법의 동작과정

 

3. 슈퍼파이프라인 기법

파이프라인 기법 강화 (한 쿨럭 내에 여러 명령어 실행 가능)

슈퍼파이프라인 기법의 동작 과정

 

4. 슈퍼파이프라인 슈퍼스칼라 기법

슈퍼파이프라인 기법을 여러 개의 코어에서 동시에 하는 방식

슈퍼파이프라인 슈퍼스칼라 기법의 동작 과정

 

4. VLIW 기법

소프트웨어적으로 병렬 처리하는 방법

 

 

 

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