운영체제의 역할과 부팅 과정

컴퓨터 시스템의 개념적 구성

• 하드웨어 + 소프트웨어
• 펌웨어

컴퓨터 하드웨어

• 컴퓨터의 기능을 수행하기 위해 전기적 신호로 구성된 정보를 이동하거나 처리하는 물리적인 실체를 의미 
• 하드웨어 품질은 컴퓨터의 정보처리 능력을 결정

중앙처리장치(CPU)

• 컴퓨터 시스템에 부착된 모든 장치의 동작을 제어하고 명령을 실행하는 장치
• CPU는 컴퓨터 시스템의 논리적 구성 요소
• 마이크로프로세서는 CPU를 집적회로 형태로 만든 물리적 구성 요소 
• 그러나 CPU와 마이크로프로세서를 일반적으로 구분 없이 사용

기억장치

• 중앙처리장치가 어떤 작업을 처리하려면 데이터와 데이터를 처리할 프로그램이 필요하다.
• 기억장치는 데이터, 프로그램, 연산의 중간 결과 등을 일시적 또는 영구적으로 저장하는 장치 이다.
• 접근 속도, 기억 용량, 용도 등에 따라 레지스터, 캐시 메모리, 주기억장치, 보조기억장치로 나누어진다.
  
  

4계층 레지스터 : 중앙처리장치 내부에 존재하는 기억장치. 접근 시간이 중앙처리장치의 처리 속도와 비슷하다

3계층 캐시 메모리: 중앙처리장치가 주기억장치에 접근할 때 속도 차이를 줄이기 위해 사용. 실행 중인 프로그램의 명령어와 데이터를 저장한다.

2계층 메인 메모리(주기억장치): 중앙처리장치가 직접 데이터를 읽고 쓸 수 있는 장치. 레지스터나 캐시 메모리보다 기억용량이 크다.

1계층 보조기억장치: 주기억장치에 비해 접근 시간은 느리지만 기억 용량이 큽니다. 접근 시간은 주기억장치보다 약 1,000배 정도 느리다.

층이 올라갈수록 접근 속도가 증가하고 저장 비용이 상승. 반면에 기억 용량은 감소하게 된다. 따라서 기억장치의 구성 비용과 성능을 고려해서 중앙처리장치가 자주 사용하는 데이터를 상위 계층에 저장하는 편이 훨씬 효율적.

주기억장치는 컴퓨터가 동작하는 동안 프로그램, 데이터, 연산의 중간 결과 등을 저장. 중앙처리장치와 직접 데이터를 교환할 수 있도록 내부 버스로 연결되어 있다. 일반적으로 말하는 기억장치는 주기억장치를 말한다.​ 램(RAM)은 전원 공급이 중단되면 저장된 정보가 모두 지워지는 휘발성 메모리로 정보를 기록하고 해독하는 장치이다. 정보의 저장 위치에 관계없이 일정한 시간 내에 읽거나 쓸 수 있는 임의 접근 기억장치입니다. 램은 제조 기술에 따라 DRAM과 SRAM으로 구분된다.

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- DRAM : DRAM은 트랜지스터 내의 축전지에 충전된 전하를 이용하여 정보를 저장한다. 축전지에 충전된 전하의 존재 유무를 0과 1로 구분하는데, 축전지의 전하는 시간이 지나면​ 방전되므로 주기적으로 충전 해야 한다. DRAM은 가격이 저렴하고 전력 소모가 적으며 동작 속도가 빠르고 직접도가 높다. 따라서 대용량 메모리로 쓰기에 적합하여 주기억장치로 사용된다.

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- SRAM : SRAM은 플립플롭 기억소자로 구성되며 전원이 공급되는 동안 정보가 계속 유지되기 때문에 DRAM처럼 주기적으로 충전하지 않아도 된다. SRAM은 DRAM에 비해 회로가 복잡하고 전력 소모가 많으며 가격 또한 비싸지만 동작 속도가 빨라 캐시 메모리에 주로 사용된다.

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​캐시메모리는 중앙처리장치와 주기억장치의 속도 차이로 발생하는 병목현상을 완화하기 위해서 필요. CPU가 주변장치에 비해서 상대적으로 빠르기 때문이라는 것이다. 캐시 메모리는 주변 장치와 CPU 사이에 존재하면서 이러한 성능 저하를 막아준다. 캐시 메모리를 상대적으로 용량이 적어 주기억장치의 내용 전체가 아니라 일부만 저장. 중앙처리장치는 주기억장치로부터 프로그램이나 데이터를 가져올 때 우선적으로 원하는 정보가 캐시 메모리에 존재하는지 검사한다. 원하는 정보가 캐시 메모리에 존재하면 바로 읽어오고, 존재하지 않으면 주기억장치에서 캐시 메모리로 저장한 후 읽어온다.

기타 하드웨어

 

시스템 버스

• CPU와 메모리를 연결하는 Subsystem을 System Bus라고 명명한다.

시스템 버스는 컴퓨터 시스템의 교통 시스템이라고 생각하면 된다. 당신이 하드 디스크에 저장되어 있는 MP3 파일의 음악을 듣을려고 한다고 상상을 해보자. 이때 MP3 파일 자체를 데이터라고 보면 된다. 이 데이터는 스피커를 통해 소리를 내기 위해서는 사운드 카드로 전송되어 아날로그 시그널로 변환 되어야 한다. 여기서 MP3 파일이 위치한 하드 디스크와 사운드 카드가 주소 정보라고 생각하면 된다. 마지막 컨트롤 정보는 앞의 데이터와 주소 정보가 언제, 어디로 가야 하는지를 알려 준다. 이 모든 것들이 컴퓨터의 두뇌인 CPU에 의해서 관리가 되지만, 실제 데이터를 전송하는것은 시스템 버스이다.
출처: https://richong.tistory.com/92 [study]

메인보드

• 마더(mother)보드라고도 한다
• 시스템 전반의 안정적인 동작 여부를 좌우
• 각종 주변기기들을 서로 연결해 주는 통로역할을 해준다.

컴퓨터 소프트웨어

소프트웨어

• 시스템 소프트웨어: 컴퓨터 하드웨어를 제어 및 관리하는 기능(ex. 운영체제,디바이스 드라이버,컴파일러와 인터프리터)
• 응용 소프트웨어: 사용자가 하려는 작업을 수행하는 기능(ex. 주로 사용자가 사용하는 프로그램 전부)

운영체제와 부팅

운영체제

• 하드웨어 자원을 효율적으로 관리하고, 또한 응용 프로그램의 공통된 서비스를 제공하는 소프트웨어 모음 
• 예 : 마이크로소프트의 윈도우, 공개 소프트웨어인 리눅스, 애플의 MacOS와 iOS, 구글의 안드로이드

기능

• 컴퓨터 시스템의 하드웨어 자원 관리
• 사용자와 하드웨어 사이의 인터페이스 역할
• 하드웨어의 고장 탐색, 오류 처리 및 보안 유지

부팅

• 운영체제가 컴퓨터 하드웨어를 관리하고 응용 소프트웨어를 실행할 수 있도록 컴퓨터에 시동을 거는 것  보조기억장치에 저장된 운영체제를 메인 메모리에 불러들이는 과정
• 보조기억장치에 저장된 운영체제를 메인 메모리에 불러들이는 과정

부팅과정

1. ROM에 있는 바이오스 프로그램이 실행된다.

2. 부팅 프로그램을 주기억 장치에 로딩한다.

3. 운영체제를 주기억 장치에 로딩한다.

4. 운영체제에 의해 프로그램이 로드된다.

5. 운영체제 명령에 의해 CPU가 프로그램을 실행한다.