혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제를 읽으면서 이해한 내용을 20가지로 나눠서 정리해봤습니다. 내용 중 틀린 내용이 있다면 피드백 부탁드립니다!

1. 컴퓨터 구조를 알아야하는 이유

1. 문제 상황을 빠르게 진단할 수 있고, 문제 해결의 실마리를 다양하게 찾을 수 있다.
2. 서비스를 운영할때 사용하는 서버 컴퓨터 또는 클라우드 서비스의 성능, 용량, 비용을 현명하게 선택할 수 있다.

2. 컴퓨터 구조

1. CPU(뇌) 는 메모리에 저장된 명령어를 읽어 들이고, 해석하고 실행하는 부품이다. ALU 는 계산하는 장치, 레지스터는 임시 저장 장치, 제어 장치는 제어신호를 발생시키고 명령어를 해석하는 장치다.
2. 메모리는 현재 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장하는 부품이다. 메모리에는 저장된 값에 빠르고 효율적으로 접근하기 위해 주소라는 개념이 사용된다. 즉 메모리에 저장된 값의 위치는 주소로 알 수 있다.
3. 보조기억장치는 메모리의 단점(가격이 비싸 저장 용량이 적다, 전원이 꺼지면 저장된 내용을 잃는다)을 보완하는 부품이다. 즉 전원이 꺼져도 보관될 프로그램을 저장하는 부품이다.
4. 입출력장치는 컴퓨터 외부에 연결되어 컴퓨터 내부와 정보를 교환할 수 있는 부품이다.
5. 위의 네 가지 부품들은 모두 메인보드(mother board)에 연결되어 있다.
6. 위의 네 가지 부품들은 메인보드 내에서 시스템 버스 라는 통로로 정보를 주고 받는다.

3. 데이터

1. 0, 1 로 숫자를 표현하는 법
    1. 컴퓨터가 이해하는 가장 작은 정보 단위 비트이다. n 개의 비트로 나타낼수 있는 정보의 수는 2의 n 제곱이다.
    2. 1 byte == 8 bit, 1KB == 1,000 byte, 1MB == 1,000KB, 1GB == 1,000MB, 1TB == 1,000GB
    3. 정보 단위 중 워드는 CPU 가 한 번에 처리할 수 있는 데이터 크기를 의미한다. 하프 워드, 풀 워드, 더블 워드가 있다. 현대 컴퓨터의 워드 크기는 32, 64 비트이다.
    4. 컴퓨터에 어떤 숫자를 알려 주려면 이진수로 알려줘야 한다. 이진법은 0, 1 로 모든 수를 표현하는 방법이다.
    5. 이진수의 음수 표현을 할때 2의 보수와 플래그 값을 사용한다. 2의 보수는 어떤 수를 그보다 큰 2 n 제곱에서 뺀 값을 의미한다. 
    6. 2의 보수가 음수인 이유는 어떤 값과 그 값의 보수의 값을 더하면 0이 되기 때문에 음수로 간주한다. 자리 올림이 되는 부분은 무시한다.
    7. 2의 보수를 매우 쉽게 표현하자면 모든 0 과 1을 뒤집고, 거기에 1을 더한 값이다.
    8. 음수 표현시 1의 보수를 사용하지 않는 이유는 0 이 두 개다. 반면 2의 보수는 0이 한 개로만 표현된다.
    9. 2의 보수 표현의 한계가 있다. 첫 번째는 2의 n 제곱의 보수는 자기 자신이 된다.
    10. 개발자들은 십육진법을 사용하기도 한다. 십육진법은 15를 넘어가는 시점에 자리 올림하여 수를 표현하는 방법이다.  이진법 보다 짧고 서로 변환하기 쉽다. 십육진수는 4 비트까지 표현할 수 있다. 이진수는 1 비트를 표현할 수 있다. 즉 네 자리의 이진수로 표현할 수 있다.
2. 0, 1 로 문자를 표현하는 법
    1. 컴퓨터가 인식하고 표현할 수 있는 문자 모음을 문자 집합이라고 한다.
    2. 문자를 0 과 1로 변환하는 것을 문자 인코딩, 0 과 1을 문자로 변환하는 것을 문자 디코딩 이라고 한다.
    3. 아스키 코드는 초창기 문자 집합 중 하나다. 7 비트로 총 128개의 문자를 표현할 수 있다.
        1. 문자에 해당하는 코드 포인트를 이진수로 변환한다 → 인코딩
        2. 코드 포인트에 해당하는 문자를 반환한다 → 디코딩
        3. 실제로는 하나의 아스키 문자를 나타내기 위해 8비트를 사용한다. 그 중 1비트는 패리티 비트라고 불리는, 오류 검출을 위해 사용되는 비트다.
        4. 48 == 0, 65 == ‘A’, 97 == ‘a’
        5. 영어뿐만 아니라 다른 언어도 표현할 수 있는 방법이 필요했다. 그 예로 한글. 그래서 EUC-KR 이 등장했다. 한글 인코딩에는 두 가지 방식이 있다. 한글 조합형 인코딩 방식, 한글 완성형 인코딩 방식이 있다. 한글 조합형 인코딩 방식은 초성, 중성, 종성 각각 비트열을 할당하여 그것들의 조합으로 하나의 글자 코드를 완성하는 인코딩 방식이다.
            1. EUC-KR 은 한글을 2 바이트 크기로 인코딩할 수 있는 완성형 인코딩 방식이다.
            2. EUC-KR 인코딩 방식으로 모든 한글 조합을 표현할 수 없다.
        6. 언어별로 인코딩을 하려면 번거롭다. 이를 해결하고자 통일된 문자 집합인 유니코드를 만들고 UTF-8, UTF-16, UTF-32 등 유니코드의 코드 포인트를 인코딩하는 방식들을 사용한다.
            1. UTF-8 의 인코딩 결과는 1 ~ 4 바이트 까지 결과를 만들어 낸다.

4. 명령어

1. 프로그램의 프로그래밍 언어(고급 언어, 소스코드)를 명령어(저급 언어)로 변환해서 실행한다.
    1. 이때 변환되는 방식에는 컴파일 방식과 인터프리트 방식이 있다.
        1. 컴파일 언어(C, C++)는 컴파일 언어로 작성된 전체 소스 코드를 컴파일러가 저급 언어로 변환하고 그 결과로 목적코드가 생성된다.
        2. 이때 컴파일러가 소스 코드 내에서 오류를 하나라도 발견하면 해당 소스 코드는 컴파일에 실패한다.
        3. 인터프리터 언어는 인터프리터 언어로 작성된 소스 코드를 인터프리터가 한 줄 씩 차례대로 해석하고 실행한다. 인터프리트 중 오류가 발생하면 오류 발생 전까지의 코드는 실행된다.
        4. 인터프리터 언어는 컴파일 언어와 다르게 전체 소스 코드를 저급 언어로 변환하는 시간을 기다릴 필요가 없다. 그렇다고 인터프리터 언어가 빠른것은 아니다. 이미 컴파일이 되어 목적 코드가 있다면 목적 코드가 실행되는게 더 빠르다.
        5. 현대의 많은 프로그래밍 언어 중에서 컴파일 언어와 인터프리터 언어의 경계가 모호한 경우가 많다.(자바, 파이썬 둘 다 컴파일과 인터프리트를 수행한다) 둘 중에 한 가지 방식으로 작동한다고 생각하는 것은 오개념이다. 고급 언어가 저급 언어로 변환되는 대표적인 방법에는 컴파일 방식과 인터프리트 방식이 있다 정도로 이해하자.
        6. 목적 파일(목적 코드로 이루어진 파일) vs 실행 파일(실행 코드로 이루어진 파일)
            1. 목적 코드가 실행 파일이 되기 위해서는 링킹이라는 작업을 거쳐야 한다.
            2. 링킹은 현재 파일에서 사용되는 외부 기능들을 연결 짓는 작업이다.
2. 어셈블리어는 기계어를 읽기 편한 형태로 번역한 저급 언어다. 기계어와 일 대 일 대응이 되며, 어셈블러 라는 프로그램을 통해 기계어로 변환된다.
    1. 보통 하드웨어와 밀접하게 맞닿아 있는 프로그램을 개발하는 임베디드 개발자, 게임 개발자, 정보 보안 분야 등의 개발자는 어셈블리어를 많이 이용한다.
3. 명령어 구조
    1. 저급 언어는 명령어로 이뤄져 있다.
    2. 명령어는 연산코드(연산자, 수행할 연산)와 오퍼랜드(피연산자, 연산에 사용할 데이터)로 구성되어 있다.
    3. 오퍼랜드 필드(주소 필드)에는 숫자와 문자등을 나타내는 데이터 또는 메모리나 레지스터 주소가 올 수 있다.
    4. 오퍼랜드가 없는 경우 0-주소 명령어, 하나인 경우 1-주소 명령어 두 개인 경우 2-주소 명령어…
    5. CPU 가 공통으로 이해하는 대표적인 연산 코드의 종류에는 크게 데이터 전송, 산술/논리연산, 제어 흐름 변경, 입출력 제어 4 가지가 있다.
        1. 데이터 전송
            1. MOVE: 데이터를 옮겨라
            2. STORE: 메모리에 저장하라
            3. LOAD(FETCH): 메모리에서 CPU로 데이터를 가져와라
            4. PUSH: 스택에 데이터를 저장하라
            5. POP: 스택의 최상단 데이터를 가져와라
        2. 산술/논리 연산
            1. ADD/SUBTRACT/MULTIPLY/DIVIDE: 덧셈/뺄셈/곱셈/나눗셈을 수행하라
            2. INCREMENT/DECREMENT: 오퍼랜드에 1을 더하라/ 오퍼랜드에 1을 빼라
            3. AND/OR/NOT: AND/OR/NOT 연산을 수행하라
            4. COMPARE: 두 개의 숫자 또는 TRUE/FALSE 값을 비교하라
        3. 제어 흐름 변경
            1. JUMP: 특정 주소로 실행 순서를 옮겨라
            2. CONDITIONAL JUMP: 조건에 부합할 때 특정 주소로 실행 순서를 옮겨라
            3. HALT: 프로그램의 실행을 멈춰라
            4. CALL: 되돌아올 주소를 저장한 채 특정 주소로 실행 순서를 옮겨라
            5. RETURN: CALL을 호출할 때 저장했던 주소로 돌아가라
            6. 함수를 호출하고 리턴하는 명령어
        4. 입출력 제어
            1. READ(INPUT): 특정 입출력 장치로부터 데이터를 읽어라
            2. WRITE(OUTPUT): 특정 입출력 장치로부터 데이터를 써라
            3. START IO: 입출력 장치를 시작하라
            4. TEST IO: 입출력 장치의 상태를 확인하라
    6. 주소 지정 방식은 연산에 사용할 데이터 위치(유효 주소)를 찾는 방법이다.
        1. 즉시 주소 지정 방식은 아래 주소 지정 방식들 중 가장 빠르다. 오퍼랜드 필드에 연산에 사용할 데이터를 명시하는 방법이다.
        2. 직접 주소 지정 방식은 오퍼랜드 필드에 연산에 필요한 데이터를 저장하고 있는 메모리 주소를 명시하는 방법이다. 명시할 수 있는 유효 주소 길이가 오퍼랜드 필드 만큼 한정적이다.
        3. 간접 주소 지정 방식은 유효 주소의 주소를 오퍼랜드 필드에 명시하는 방법이다. 표현할 수 있는 유효 주소의 길이가 하나의 메모리 주소에 저장할 수 있는 공간 만큼 커진다. 그래서 명령의 길이가 짧고 제한되어 있어도 긴 주소를 표현할 수 있다. 메모리에 두 번 접근하게 되므로 다른 방식보다 느리다.
        4. 레지스터 주소 지정 방식은 오퍼랜드 필드에 연산에 필요한 데이터를 저장한 레지스터 이름을 명시하는 방법이다. 직접 주소 지정 방식과 같은 단점을 가진다. 표현할 수 있는 레지스터 이름이 오퍼랜드 필드 크기로 한정된다.
        5. 레지스터 간접 주소 지정 방식은 오퍼랜드 필드에 유효 주소를 저장한 레지스터 이름을 명시하는 방법이다. 이때 유효 주소는 메모리 주소이다. 간접 주소 지정 방식 보다 빠르다.
        6. 스택 주소 지정 방식은 스택과 스택 포인터를 시용한 주소 지정 방식이다.
        7. 변위 주소 지정 방식은 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 방법이다. 변위 주소 지정 방식을 사용하는 명령어는 연산 코드 필드, 레지스터 필드, 오퍼랜드 필드가 있다.
            1. 상대 주소 지정 방식은 프로그램 카운터의 값과 오퍼랜드를 더하여 유효 주소를 얻는다.
                1. 상대 주소 지정 방식은 if 문과 유사하게 모든 코드를 실행하는 것이 아닌, 분기하여 특정 주소의 코드를 실행할 때 사용된다.
            2. 베이스 레지스터 주소 지정 방식은 베이스 레지스터의 값과 오퍼랜드를 더하여 유효 주소를 얻는다.
    7. 스택은 나중에 저장한 데이터를 가장 먼저 빼내는 데이터 관리 방식이다.
    8. 큐는 가장 먼저 저장한 데이터부터 빼내는 데이터 관리 방식이다.

5. ALU

1. ALU 가 받아들이는 정보들
    1. ALU는 레지스터를 통해 피연산자를 받고, 제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어신호를 받는다.
2. ALU 가 내보내는 정보들
    1. 연산을 수행한 결과(특정 숫자, 문자, 메모리 주소가 될 수 있다)(이때 결과 값은 레지스터에 저장된다)
    2. 플래그(연산 결과의 추가적인 상태 정보) 예)연산 결과가 이를 담을 레지스터보다 클 때 ‘결과값이 너무 크다’ 라는 추가 정보를 내보낸다(오버플로우)(이때 플래그는 플래그 레지스터에 저장된다)
        1. 부호 플래그는 연산한 결과의 부호를 나타낸다(1 인 경우 음수)
        2. 제로 플래그는 연산 결과가 0인지 여부를 나타낸다.(1 인 경우 0)
        3. 캐리 플래그는 연산 결과 올림수나 빌림수가 발생했는지를 나타낸다.(1 인 경우 발생)
            1. 올림수란 산술 연산을 실행할 때, 각 자릿수에서 위의 자릿수로 이동하는 수
            2. 빌림수란 두 수의 어떤 자리에서 뺄셈을 한 결과가 0보다 작은 경우 한 자리 위에서 보내지는 숫자를 뜻한다.
        4. 오버플로우 플래그
        5. 인터럽트 플래그는 인터럽트가 가능한지를 나타낸다.(1인 경우 인터럽트 가능)
        6. 슈퍼바이저 플래그는 커널 모드로 실행 중인지, 사용자 모드로 실행 중인지를 나타낸다.(1인 경우 커널모드)
3. 이 밖에도 ALU 내부에는 여러 계산을 위한 회로들이 있다. 대표적으로 덧셈을 위한 가산기, 뺄셈을 위한 보수기, 시프트 연산을 수행해 주는 시프터, 오버플로우를 대비한 오버플로우 검출기 등이 있다.

6. 제어장치

1. 제어장치가 받아들이는 정보
    1. 클럭 신호를 받아들인다.
        1. 클럭이란 컴퓨터의 모든 부품을 움직일 수 있게 하는 시간 단위다.
        2. 컴퓨터의 모든 부품이 클럭 신호에 맞춰 작동한다.
        3. 클럭 신호는 결정 발진기에 의해 만들어진다.
    2. 명령어 레지스터로부터 해석할 명령어를 받아들인다.
    3. 플래그 레지스터로부터 플래그 값을 받아들인다.
    4. 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들인다.
        1. 제어 신호는 제어장치만 발생시킬수 있는게 아니였다. 입출력장치를 비롯한 CPU 외부 장치도 발생시킬 수 있다!
2. 제어장치가 내보내는 정보
    1. 컴퓨터 부품들에 제어 신호를 내보낸다.(CPU 내부 또는 CPU 외부(메모리, 입출력장치(보조기억장치 포함)), 후자의 경우 제어 버스를 통해 전달)
        1. CPU 외부로 제어 신호를 내보내는 경우: 제어장치가 메모리에 저장된 값을 읽거나 메모리에 새로운 값을 쓰고 싶다면 메모리로 제어 신호를 내보낸다. 입출력장치의 값을 읽거나 새로운 값을 쓰고 싶을 때는 입출력장치로 제어 신호를 내보낸다.
        2. CPU 내부로 제어 신호를 내보내는 경우: ALU 에는 수행할 연산을 지시하기 위해서, 레지스터에는 레지스터 간에 데이터를 이동시키거나 레지스터에 값을 저장하기 위해 제어 신호를 내보낸다.(책에서는 레지스터에 값을 저장하기 위해 대신 저장된 명령어를 해석하기 위해 제어 신호를 내보낸다. 고 써있음)

7. 레지스터: 프로그램 속 명령어와 데이터는 실행 전후로 반드시 레지스터에 저장된다. 따라서 레지스터에 저장된 값만 잘 관찰해도 프로그램의 실행 흐름을 파악할 수 있다.

1. 프로그램 카운터(명령어 포인터)는 메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장한다.
    1. 메모리부터 명령어를 읽어오면 프로그램 카운터는 증가되어 다음 명령어를 읽어 들일 준비를 한다. 
    2. CPU가 메모리 속 프로그램을 순차적으로 읽어 들이고 실행해 나갈 수 있는 이유는 CPU 속 프로그램 카운터가 꾸준히 증가하기 때문이다.
    3. 순차적인 실행 흐름이 끊기는 경우
        1. JUMP, CONDITIONAL JUMP, CALL, RETURN 같이 특정 메모리 주소로 실행 흐름을 이동하는 명령어가 실행되었을 때
        2. 인터럽트가 발생했을때
2. 명령어 레지스터 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장한다.
3. 메모리 주소 레지스터는 메모리의 주소를 저장한다.
    1. CPU가 읽어 들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 메모리 주소 레지스터를 거치게 된다.
4. 메모리 버퍼 레지스터(메모리 데이터 레지스터)는 메모리와 주고 받는 명령어와 데이터를 저장한다.
    1. 데이터 버스로 주고받을 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거친다.
5. 범용 레지스터는 데이터와 주소를 모두 저장할 수 있다. 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터.
6. 플래그 레지스터는 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장한다.
7. 스택 포인터는 메모리의 스택 영역의 스택에 마지막으로 저장한 값의 위치를 저장한다.
8. 베이스 레지스터는 베이스 레지스터 주소 지정 방식에서 기준 주소를 나타내는 역할을 한다. 프로그램의 첫 물리 주소를 저장한다. 베이스 레지스터가 MMU 안에 위치하는 건지?

8. 명령어 사이클: 하나의 명령어를 처리하는 정형화된 흐름이다.

1. 인출 사이클은 메모리에 있는 명령어를 CPU로 가지고 오는 단계이다.
2. 실행 사이클은 제어장치가 명령어 레지스터에 담긴 값을 해석하고, 제어 신호를 발생시키는 단계다.
3. 간접 사이클은 피연산자의 실제 주소를 찾기 위해 메모리 내의 데이터를 한 번 더 인출하는 과정이다. 예) 간접 주소 지정 방식의 경우 메모리에 두 번 접근 해야한다. 
4. 인터럽트 사이클은 인터럽트 핸들러를 실행하고, 본래 수행하던 작업으로 돌아오는 것이다.

9. 인터럽트: CPU의 정상적인 작업을 방해하는 신호다. 아래는 인텔 공식 문서 참조

1. 예외(동기 인터럽트)는 CPU 가 명령어들을 수행하다가 예상치 못한 상황에 마주쳤을 때 발생한다. 즉 CPU에 의해 발생한다. 예외가 발생하면 CPU 는 하던 일을 중단하고, 해당 예외를 처리한다. 그 뒤에 본래 하던 작업으로 되돌아와 실행을 재개한다.  3월 23일
    1. 폴트 는 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어부터 실행을 재개하는 예외다.
        1. CPU 가 명령어를 실행하려 하는데, 이 명령어를 실행하기 위해 꼭 필요한 데이터가 메모리가 아닌 보조기억장치에 있다면 CPU 는 폴트 를 발생시키고 보조기억장치로부터 필요한 데이터를 메모리로 가져와 저장한다.
    2. 트랩 은 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행을 재개하는 예외다.
        1. 주로 디버깅할 때 사용한다.
        2. 디버깅은 프로그램 개발 중에 발생한 문제를 진단하고 해결하기 위한 작업이다.
        3. 디버깅을 할 때 특정 코드가 실행되는 순간 프로그램의 실행을 멈추게 할 수 있다.
        4. 디버깅이 끝나면 프로그램은 다음 명령어 부터 실행을 이어 나간다.
        5. CPU 가 한계 레지스터 보다 높은 논리 주소를 접근하려고 할때 발생한다.
    3. 중단은 CPU 가 실행 중인 프로그램을 강제로 중단시킬 수밖에 없는 심각한 오류를 발견했을 때 발생하는 예외다.
    4. 소프트웨어 인터럽트 는 시스템 호출이 발생했을 때 나타난다.
2. 비동기 인터럽트(하드웨어 인터럽트, 인터럽트)는 입출력장치에 의해 발생한다. 이때 비동기 인터럽트는 작업이 끝났음을 알리거나 어떠한 입력을 받아들였을 때 일종의 알림 역할을 한다.
    1. 인터럽트를 사용하는 이유는 입출력장치를 사용하는 경우 명령어를 효율적으로 처리하기 위함이다.
        1. 입력출력장치는 CPU 보다 속도가 현저히 느리기 때문에 CPU 는 주기적으로 입출력장치의 작업 상태를 확인해야 한다. 
    2. 인터럽트 처리 순서(CPU가 인터럽트를 처리한다는 말은 인터럽트 서비스 루틴을 실행하고, 본래 수행하던 작업으로 다시 되돌아온다는 말이다)
        1. 입출력장치는 CPU 에 인터럽트 요청 신호를 보낸다.
        2. CPU 는 실행 사이클이 끝나고 인출 사이클에 들어가기 전 항상 인터럽트 여부를 확인한다.
        3. CPU 는 인터럽트 요청 신호를 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부를 확인한다.
            1. 인터럽트 플래그가 불가능으로 설정되어 있다면 CPU 는 인터럽트 요청을 무시한다.
            2. 모든 인터럽트를 인터럽트 플래그로 막을 수 없다. 이런 인터럽트를 막을 수 없는 인터럽트라고 한다. 예) 정전, 하드웨어 고장
        4. 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 메모리의 스택 영역에 백업한다.
        5. CPU 는 인터럽트 백터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴(인터럽트 핸들러)를 실행한다.
            1. 인터럽트 서비스 루틴은 인터럽트를 처리하기 위한 프로그램이다.
            2. 인터럽트를 처리하는 방법은 입출력장치마다 다르므로 각기 다른 인터럽트 서비스 루틴을 가지고 있다.
            3. 인터럽트 벡터는 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 포함하는 인터럽트 서비스 루틴의 식별 정보다.
            4. CPU 는 인터럽트 요청을 보낸 대상으로부터 데이터 버스를 통해 인터럽트 벡터를 전달 받는다.
        6. 인터럽트 서비스 루틴이 끝나면 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개한다.

10. 빠른 CPU를 위한 설계 기법

1. 클럭 속도가 높은 CPU 는 빠르게 동작한다.
    1. 클럭 속도가 높아지면 CPU 는 명령어 사이클을 더 빠르게 반복한다.
    2. 클럭 속도는  Hz 단위로 측정한다. 2.5GHz 는 1 초에 25억 번 반복.
    3. 클럭 속도는 일정하지 않다. 고성능을 요하는 순간에는 순간적으로 클럭 속도를 높인다. 최대 클럭 속도를 강제로 더 끌어올릴 수도 있는데, 이런 기법을 오버클럭킹이라고 한다.
    4. 클럭 속도를 무작정 높이면 이러한 발열 문제가 더 심각해진다.
    5. 클럭 신호는 CPU 의 속도 단위다.
2. 멀티코어 CPU, 멀티코어 프로세서(프로세서나 CPU 같은 의미로 생각하자)
    1. 코어는 CPU 내에서 명령어를 실행하는 부품으로 여러 개 있을 수 있다.
    2. 당연히 멀티코어의 처리 속도는 단일코어보다 빠르다.
    3. CPU 의 연산 속도가 꼭 코어 수에 비례하여 증가하지 않는다.
        1. 코어마다 처리할 연산이 적절하게 분배되지 않을 경우
        2. 처리하고자 하는 작업량보다 코어 수가 지나치게 많은 경우
3. 멀티스레드 CPU, 멀티스레드 프로세서
    1. 스레드
        1. 하드웨어 스레드
            1. CPU 에서 사용한다.
            2. 하나의 코어가 동시에 처리하는 명령어 단위
            3. 8코어 16스레드는 한 번에 16개의 명령어를 처리할 수 있다. 코어 하나당 두 개의 하드웨어 스레드를 처리한다.
            4. 하이퍼스레딩은 인텔의 멀티스레드 기술을 의미한다.(하드웨어적 스레드)
        2. (소프트웨어적)스레드는 프로그램에서 사용된다.
            1. 프로그램에서 사용된다.
            2. 하나의 프로그램에서 독립적으로 실행되는 단위
            3. 워드 프로세서 프로그램
                1. 사용자로부터 입력받은 내용을 화면에 보여 주는 기능
                2. 사용자가 입력한 내용이 맞춤법에 맞는지 검사하는 기능
                3. 사용자가 입력한 내용을 수시로 저장하는 기능
                4. 이 기능들을 작동시키는 코드를 각각의 스레드로 만들면 동시에 실행할 수 있다.
        3. 1 코어 1스레드 CPU 로도 프로그램의 여러 부분을 동시(소프트웨어적 스레드)에 실행 할 수 있다.
    2. 멀티스레드 CPU 는 여러 개의 하드웨어 스레드를 지원하는 CPU 다.
    3. 멀티스레드 프로세서의 가장 큰 핵심은 레지스터다.
        1. 하나의 코어로 여러 명령어를 동시에 처리하도록 만들려면 프로그램 카운터, 스택 포인터, 메모리 버퍼 레지스터, 메모리 주소 레지스터 와 같이 하나의 명령어를 처리하기 위해 꼭 필요한 레지스터를 여러 개 가지고 있으면 된다.
            1. 스택 포인터가 두 개 있다면 두 개의 스택을 관리할 수 있다.
        2. ALU 와 제어장치가 두 개의 레지스터 세트에 저장된 명령어를 해석하고 실행하면 하나의 코어에서 두 개의 명령어가 동시에 실행된다.
    4. 메모리 속 프로그램 입장에서는 하드웨어 스레드는 한 번에 하나의 명령어를 처리하는 CPU 나 다름없다. 그래서 하드웨어 스레드를 논리 프로세서라고 부르기도 한다.
    5. 멀티코어 (프로세서) vs 멀티스레드 (프로세서)

11. 명령어 병렬 처리 기법(CPU 를 한시도 쉬지 않고 작동시키는 기법)

1. 명령어 파이프라인(공장 생산 라인, 명령어 처리 과정을 클럭 단위로 나눌 경우, 전공서에 따라 인출 → 실행으로 나누기도 하고 인출→ 해석→실행→메모리 접근→ 결과 저장으로 나누기도 한다)
    1. 명령어 인출
    2. 명령어 해석
    3. 명령어 실행
    4. 결과 저장
    5. 파이프라인 위험(성능 향상에 실패하는 경우)
        1. 데이터 위험은 명령어 간 데이터 의존성에 의해 발생한다.
            1. 명령어 1: R1 ← R2 + R3
            2. 명령어 2: R4 ← R1 + R5
        2. 제어 위험은 주로 분기 등으로 인한 프로그램 카운터의 갑작스러운 변화에 의해 발생한다.
            1. 프로그램 카운터 값에 갑작스러운 변화가 생긴다면 명령어 파이프라인에 미리 가지고 와서 처리 중이었던 명령어들은 아무 쓸모가 없어진다.
            2. 이를 위해 사용하는 기술 중 하나가 분기 예측이다. 분기 예측은 프로그램이 어디로 분기할지 미리 예측한 후 그 주소를 인출하는 기술이다.
        3. 구조적 위험(자원 위험) 은 명령어들을 겹쳐 실행하는 과정에서 서로 다른 명령어가 동시에 ALU, 레지스터 등과 같은 CPU 부품을 사용하려고 할 때 발생한다.
2. 여기서 중요한 점은 같은 단계가 겹치지만 않는다면 CPU 는 각 단계를 동시에 실행할 수 있다!
3. 명령어 파이프라이닝 은 동시에 여러 개의 명령어를 겹쳐 실행하는 기법이다.(순차처리)
4. 슈퍼스칼라 는 여러 개의 명령어 파이프라인을 두는 기법이다.(순차처리)
    1. 슈퍼스칼라 구조로 명령어 처리가 가능한 CPU 를 슈퍼스칼라 프로세서, 슈퍼스칼라 CPU 라고 한다.
    2. 슈퍼스칼라 프로세서는 매 클럭 주기마다 동시에 여러 명령어를 인출할 수도, 실행할 수도 있다.
    3. 멀티스레드 프로세서는 한 번에 여러 명령어를 인출하고, 해석하고, 실행할 수 있기 때문에 슈퍼스칼라 구조를 사용할 수 있다.
    4. 슈퍼스칼라 프로세서는 파이프라인을 여러 개 둔다. 멀티스레드 프로세서는 명령어를 동시에 처리할 수 있도록 명령어 처리에 필요한 레지스터 세트를 여러개 둔다.
    5. 이론적으로 파이프라인 개수에 비례하여 프로그램 처리 속도가 빨라지지만 파이프라인 위험 등의 문제가 있어 실제로는 파이프라인 개수에 비례하여 빨라지지는 않는다.
5. 비순차적 명령어 처리(OoOE, 오늘날 CPU 성능 향상에 크게 기여한 기법이자 대부분의 CPU 가 차용하는 기법이다) 는 순서를 바꿔 실행해도 무방한 명령어를 먼저 실행하여 명령어 파이프라인이 멈추는 것을 방지하는 기법이다.

12. 현대 CPU 의 주요 설계 방식

1. 명령어 파이프라이닝 과 슈퍼스칼라 기법을 실제로 CPU 에 적용하려면 명령어가 파이프라이닝 에 최적화되어 있어야 한다.
2. 명령어 집합(명령어 집합 구조)은 CPU 가 이해할 수 있는 명령어들의 모음이다. CPU 의 언어이자 하드웨어가 소프트웨어를 어떻게 이해할지에 대한 약속이다.
    1. CPU 마다 ISA 가 다를 수 있다.
        1. 인텔 CPU 컴퓨터에서 만든 실행 파일을 그대로 아이폰에 옮겨 특별한 설정 없이 바로 실행하면 실행이 안된다.
            1. 실행 파일은 명령어로 이루어져 있고 서로의 컴퓨터가 이해할 수 있는 명령어가 다르다.
        2. 같은 소스 코드로 만들어진 같은 프로그램이라 할지라도 ISA 가 다르면 CPU 가 이해할 수 있는 명령어로 어셈블리어도 달라진다.
            1. 참고로 사용한 컴파일러에 따라서도 어셈블리어가 달라질 수 있다.
    2. 명령어 집합에 구조 라는 단어가 붙은 이유는 CPU 가 어떤 명령어를 이해하는지에 따라 컴퓨터 구조 및 설계 방식이 달라지기 때문이다.
        1. ISA 가 다르면 그에 따른 나비 효과로 많은 것이 달라진다. 제어장치가 명령어를 해석하는 방식, 사용되는 레지스터의 종류와 개수, 메모리 관리 방법 등 많은 것이 달라진다. 그리고 이는 곧 CPU 하드웨어 설계에도 큰 영향을 미친다.
3. 이상적인 명령어
    1. 그 길이와 수행 시간이 짧고(1 클럭) 규격화 되어 있어야 한다.
    2. 자주 쓰이는 기본적인 명령어를 작고 빠르게 만들어야 한다.
4. CISC(Complex Instruction Set Computer) 는 복잡하고 다양한 수의 가변 길이 명령어 집합을 활용한다.
    1. 다양하고 강력한 명령어를 활용한다는 말은 상대적으로 적은 수의 명령어로도 프로그램을 실행할 수 있다는 것을 의미한다.
    2. 명령어 수가 적다는 말은 컴파일된 프로그램의 크기가 작다는 것을 의미한다.
        1. 덕분에 메모리를 최대한 아끼며 개발해야 했던 시절에 인기가 높았다.
    3. 복잡한 명령어 때문에 명령어 하나를 실행하는 데에 여러 클럭 주기를 필요로한다. 즉 명령어의 규격화가 어려워 파이프라이닝이 어렵다.
    4. 대다수의 복잡한 명령어는 그 사용 빈도가 낮다.
5. RISC(Reduced Instruction Set Computer)
    1. CISC 와 달리 짧고 규격화된 명령어, 되도록 1 클럭 내외로 실행되는 명령어를 지향한다.
    2. 단순하고 적은 수의 고정 길이 명령어 집합을 활용한다.
    3. RISC 는 메모리에 직접 접근하는 명령어를 load, store  두 개 로 제한할 만큼 메모리 접근을 단순화하고 최소화를 추구한다. 그렇기 때문에 CISC 보다 주소 지정 방식의 종류가 적은 경우가 많다. → RISC 는 PUSH, POP 을 사용하지 않고 스택 영역에 어떻게 접근할까?
        1. 이런 점에서 RISC 를 load-store 구조라고 부른다.
    4. 레지스터를 적극적으로 활용한다. 일반적으로 CISC 보다 범용 레지스터 개수가 많다.

13. 메모리, RAM 휘발성 저장 장치(volatile memory)

1. DRAM(Dynamic RAM) 은 시간이 지나면 저장된 데이터가 점차 사라진다. 그래서 소멸을 막기 위해 일정 주기로 데이터를 재활성화 해야 한다.
    1. 우리가 일반적으로 사용하는 RAM 이다.
        1. 소비 전력이 비교적 낮고, 저렴하고, 집적도가 높기 때문에 대용량으로 설계하기 용이하기 때문이다.
            1. 집적도가 높다 는 의미는 더 작고 빽빽하게 만들 수 있다는 말과 같다.
2. SRAM(Static RAM) 은 시간이 지나도 저장된 데이터가 사라지지 않는다.
    1. DRAM 보다 일반적으로 속도가 빠르다.
    2. 소비 전력이 크고, 집적도가 낮고, 가격이 비싸다. 대용량으로 만들어질 필요는 없지만 속도가 빨라야 하는 저장 장치에 사용된다.
        1. 캐시메모리에 사용
3. SDRAM(Synchronous Dynamic RAM) 클럭 신호와 동기화된 DRAM 이다.
4. DDR SDRAM(Double Data Rate SDRAM)은 대역폭이 두 배 넓은 SDRAM 이다.
    1. 한 클럭당 두 번씩 CPU 와 데이터를 주고받을 수 있다.
    2. 대역폭(data rate)이란 데이터를 주고받는 길의 너비를 의미한다.
    3. 가장 흔히 사용되는 RAM 이다.
    4. SDR SDRAM 은 한 클럭당 하나씩 데이터를 주고받을 수 있는 SDRAM 을 의미한다.
    5. 최근에 흔히 사용하는 메모리인 DDR4 SDRAM 은 SDR SDRAM 보다 16 배 넓은 대역폭을 가진다.

14. 메모리 주소 공간

1. 주소
    1. 물리 주소 는 메모리 하드웨어가 사용하는 주소이다.
    2. 논리 주소 는 CPU 와 실행 중인 프로그램이 사용하는 주소이다. 
        1. 실행 중인 프로그램 각각에게 부여된 0 번지부터 시작되는 주소를 의미한다.
    3. CPU 와 실행 중인 프로그램은 현재 메모리 몇 번지에 무엇이 저장되어 있는지 다 알고 있지 않는다. 그 이유는 메모리에 저장된 정보는 시시각각 변하기 때문이다.
    4. 물리 주소와 논리 주소 간의 변환이 이루어져야 한다. 이 역할을 메모리 관리 장치(Memory Management Unit) 라는 하드웨어에 의해 수행된다.
        1. CPU 와 주소 버스 사이에 위치한다.
        2. CPU 가 발생시킨 논리 주소에 베이스 레지스터 값을 더하여 논리 주소를 물리 주소로 변환한다.
    5. 메모리 보호 기법
        1. 다른 프로그램의 영역을 침범할 수 있는 명령어는 위험하기 때문에 논리 주소 범위를 벗어나는 명령어 실행을 방지하고 실행 중인 프로그램이 다른 프로그램에 영향을 받지 않도록 보호할 방법이 필요함
            1. 한계 레지스터(limit register) 가 이를 담당한다. 논리 주소의 최대 크기를 저장한다.
        2. CPU 가 한계 레지스터 보다 높은 논리 주소에 접근하려고 하면 트랩을 발생시켜 실행을 중단한다.

15. 저장 장치 계층 구조(Memory hierarcy)는 CPU 에 얼마나 가까운가를 기준으로 나타낸 것

1. 사용자들은 빠르고 동시에 용량이 큰 저장 장치를 원하지만 그 둘이 양립하기 어렵다. 그 이유는 아래의 명제를 따르기 때문이다.
    1. CPU 와 가까운 저장 장치는 빠르고, 멀리 있는 저장 장치는 느리다.
    2. 속도가 빠른 저장 장치는 저장 용량이 작고, 가격이 비싸다.
2. 레지스터
3. 캐시 메모리
4. 메모리
5. 보조기억장치

16. 캐시 메모리

1. CPU 가 메모리에 접근하는 시간은 CPU 의 연산 속도보다 느리다. CPU 의 연산 속도와 메모리 접근 속도의 차이를 줄이기 위한 저장 장치다.
2. CPU 와 메모리 사이에 위치한다.
    1. 코어와 가장 가까운 캐시 메모리를 L1, 거리에 따라 L2, L3 캐시라고 부른다.
        1. 일반적으로 L1 캐시와 L2 캐시는 코어 내부에, L3 캐시는 코어 외부에 위치해 있다.
        2. 일반적으로 L1 캐시와 L2 캐시는 코어마다 고유한 캐시 메모리로 할당되고 L3 캐시는 여러 코어가 공유하는 형태로 사용된다.
        3. L1 캐시를 명령어만을 저장하는 L1I 캐시와 데이터만을 저장하는 L1D 캐시로 분리하는 경우 이를 분리형 캐시(split cache) 라고 한다. 접근 속도가 더 빠르다.
3. CPU 가 메모리 내에 데이터가 필요하다고 판단하면 우선 L1, L2, L3 캐시 순으로 데이터를 검색한다.
4. CPU 가 사용할 법한 대상을 예측하여 저장한다. 한 가지 원칙에 따라 메모리로부터 가져올 데이터를 결정한다. 참조 지역성의 원리(CPU 가 메모리에 접근할 때의 주된 경향을 바탕으로 만들어진 원리)
    1. 최근에 접근했던 메모리 공간에 다시 접근하는 경향 → 시간 지역성(temporal locality)
    2. 접근한 메모리 공간 근처를 접근하려는 경향 → 공간 지역성(spatial locality)
        1. CPU 가 실행하려는 프로그램은 보통 관련 데이터들끼리 한데 모여 있다. 그리고 하나의 프로그램 내에서도 관련 있는 데이터들은 모여서 저장된다.
        2. CPU 가 워드 프로세서 프로그램을 실행할 적에는 워드 프로세서 프로그램이 모여 있는 공간 근처를 집중적으로 접근할 것이고, 사용자가 입력을 할 적에는 입력 기능이 모여 있는 공간 근처를 집중적으로 접근한다.
5. 캐시 메모리 내의 데이터가 CPU 에서 활용될 경우를 cache hit 라고 한다. 반대는 cache miss.
    1. 캐시가 히트되는 비율을 캐시 적중률(cache hit ratio) 라고 한다.
    2. 보통 컴퓨터의 캐시 적중률은 대략 85 ~95% 이상이다.

17. 하드 디스크(Hard Disk Drive) 는 자기적인 방식으로 데이터를 저장하는 보조기억장치다.

1. 자기 디스크(magnetic disk) 의 일종으로 지칭하기도 한다.
2. 데이터가 저장되는 곳은 플래터(platter) 라고 한다.
    1. 플래터 는 자기 물질로 덮여 있어 수많은 N극 과 S극 을 저장한다. 이때 N 극과 S 극은 0 과 1의 역할을 수행한다.
    2. 양면 플래터 를 사용하면 위아래로 플래터당 두 개의 헤드가 사용된다. 이때 일반적으로 모든 헤드는 디스크 암에 부착되어 다같이 이동한다.
    3. 플래터 는 트랙과 섹터 라는 단위로 데이터를 저장한다.
        1. 플래터를 여러 동심원으로 나누었을 때 그중 하나의 원을 트랙이라고 한다.
        2. 트랙의 한 조각을 섹터 라고 한다. 섹터 는 하드 디스크의 가장 작은 전송 단위다.
            1. 일반적으로 512바이트 정도의 크기를 가지고 있다.
            2. 하나 이상의 섹터를 묶어 블록 이라고 표현하기도 한다.
    4. 여러 겹의 플래터 상에서 같은 트랙이 위치한 곳을 모아 연결한 논리적 단위를 실린더(cylinder) 라고 부른다.
        1. 연속된 정보는 보통 한 실린더에 기록된다.
            1. 디스크 암을 움직이지 않고도 바로 데이터에 접근할 수 있기 때문이다.
3. 플래터를 회전시키는 구성 요소를 스핀들(spindle) 이라고 한다.
    1. 스핀들이 플래터를 돌리는 속도는 RPM(Revolution Per Minute)
4. 플래터를 대상으로 데이터를 읽고 쓰는 구성 요소는 헤드다.
    1. 헤드는 원하는 위치로 헤드를 이동시키는 디스크 암에 부착되어 있다.
5. 하드 디스크가 저장된 데이터에 접근하는 과정
    1. 하드 디스크가 저장된 데이터에 접근하는 시간
        1. 탐색 시간(seek time) 은 접근하려는 데이터가 저장된 트랙까지 헤드를 이동시키는 시간을 의미한다.
        2. 회전 지연(rotational latency) 은 헤드가 있는 곳으로 플래터를 회전시키는 시간을 의미한다.
        3. 전송 시간(transfer time) 은 하드 디스크와 컴퓨터 간에 데이터를 전송하는 시간을 의미한다.
    2. 탐색 시간과 회전 지연을 단축시키기 위해서는 플래터를 빨리 돌려 RPM 을 높이는 것도 중요하지만, 참조 지역성 즉 데이터가 플래터 혹은 헤드를 조금만 옮겨도 접근할 수 있는 곳에 위치해 있는 것도 중요하다.
6. 다중 헤드 디스크(multiple head disk, 고정 헤드 디스크, fixed head disk) 는 탐색 시간이 없다.
    1. 반대로 헤더를 데이터가 있는 곳까지 움직여야 하는 단일 헤드 디스크를 이동 헤드 디스크 라고 부른다.

18. 플래시 메모리(NAND 플래시 메모리) 는 전기적으로 데이터를 읽고 쓸 수 있는 반도체 기반의 저장 장치입니다.

1. USB 메모리, SD 카드, SSD
2. 플래시 메모리는 보조기억장치 범주에만 속한다기보다는 다양한 곳에서 널리 사용하는 저장 장치다.
    1. 주기억장치 중 하나인 ROM 에 사용
    2. 우리가 일상적으로 접하는 거의 모든 전자 제품 안에 내장됨.
3. 플래시 메모리에는 NAND 플래시 메모리, NOR 플래시 메모리가 있다.
    1. NAND(Not AND) 플래시는 NAND 연산을 수행하는 회로(NAND 게이트)를 기반으로 만들어졌다.
    2. NOR(Not OR) 플래시는 NOR 연산을 수행하는 회로(NOR 게이트)를 기반으로 만들어졌다.
    3. 이 둘 중 대용량 저장 장치로 많이 사용되는 플래시 메모리는 NAND 플래시 메모리다.
4. 플래시 메모리에서 데이터를 저장하는 가장 작은 단위는 셀이다.
    1. SLC(Single Level Cell) 은 한 셀에 1 비트를 저장할 수 있는 플래시 메모리다.
        1. 홀로 거주하는 집에 제약없이 출입이 가능하듯 SLC 타입은 MLC 나 TLC 타입에 비해 비트의 빠른 입출력이 가능하다.
        2. 수명도 MLC, TLC 타입보다 길다.
        3. 가격이 비싸다. 그렇기에 보통 기업에서 데이터를 읽고 쓰기가 매우 많이 반복되며 고성능의 빠른 저장 장치가 필요한 경우 SLC 타입을 사용한다.
        4. 썼다 지우기를 자주 반복해야 하는 경우 혹은 높은 성능을 원하는 경우에는 고가의 SLC 타입을 선택하는 것이 좋다.
    2. MLC 는 한 셀에 2 비트를 저장할 수 있는 플래시 메모리다.
        1. SLC 보다 속도와 수명은 떨어지지만, 한 셀에 저장할 수 있는 크기가 더 크기 때문에 대용량화하기 유리하다.
        2. 시중에서 사용되는 많은 플래시 메모리 저장 장치들이 MLC 타입 혹은 TLC 타입으로 만들어 진다.
    3. TLC 는 한 셀에 3 비트를 저장할 수 있는 플래시 메모리다.
        1. 이중 가장 속도가 느리고 수명이 짧지만 대용량화 하기가 가장 유리하다.
        2. 저가의 대용량 저장 장치를 원한다면 TLC 타입을 선택.
    4. 간단히 어떤 물컵(셀)에 잇는 물의 비율을 0 또는 1의 이진수로 변환한다고 가정해보자. 0을 쓰려면 물을 비우면 되고, 1을 쓰려면 물을 가득 채우면 된다. 물론 플래시 메모리도 소모품이므로 시간이 지나며 점점 노화되어 항상 물을 0% 로 비우거나 100% 로 채울 수는 없다. 이걸 소프트웨어적으로 보완하여 50% 미만이면 0이고, 50% 초과면 1로 읽도록 알고리즘을 설정한다. 
        1. SLC 는 컴 하나에 0 또는 1 하나만 저장한다. 그러면 셀이 어느 정도 노화되어 완전히 비워도 47%, 다 채워도 53% 밖에 저장이 안 되어도 값을 읽고 쓰는 데 문제는 없다. 물을 대충 채워도 읽고 쓰기가 가능하므로 읽기/ 쓰기가 빠르다. 
        2. MLC 는 컵 하나의 상태를 4개로 구분하여 0%, 33%, 67%, 100% 네 가지 구간당 00, 01, 10, 11 의 네 가지 상태를 가질 수 있도록 구현한다. 컵 하나당 4개의 상태를 가지므로 컵당 저장할 수 있는 용량은 SLC 의 두 배다. 그러나 SLC 에 비해 세심한 조작이 필요하므로 읽기/쓰기가 느리고, 셀의 허용 범위값이 좁아져서 SLC 에 비해 조금만 오차가 나도 오류가 발생할 가능성이 높아진다.
5. 셀 → 페이지 → 블록 → 플레인(plane) → 다이(die)
6. 플래시 메모리에도 수명이 있다. 뿐만 아니라 하드 디스크 또한 수명이 있다.
    1. 한 셀에 일정 횟수 이상 데이터를 쓰고 지우면 그 셀은 더 이상 데이터를 저장할 수 없다.
7. 플래시 메모리의 가장 큰 특징은 읽기/쓰기 단위와 삭제 단위가 다르다는 것이다.
    1. 읽기/쓰기의 경우 페이지 단위로 이루어진다.
        1. 이때 페이지는 세 개의 상태를 가진다.
            1. Free 는 어떠한 데이터도 저장하고 있지 않아 새로운 데이터를 저장할 수 있는 상태를 의미한다.
            2. Valid 는 이미 유효한 데이터를 저장하고 있는 상태를 의미한다.
                1. 플래시 메모리는 하드 디스크와 달리 덮어쓰기가 불가능하여 Valid 상태인 페이지에는 새 데이터를 저장할 수 없다.
            3. Invalid 는 쓰레기값이라고 부르는 유효하지 않은 데이터를 저장하고 있는 상태를 의미한다.
    2. 삭제의 경우 블록 단위로 이루어진다.
    3. 블록의 각 페이지에 A, B, C 가 저장되어 있을때 A → A’ 로 수정하고 한다면 A 를 invalid 페이지로 만들고 A’ 를 새롭게 저장한다.
        1. 이렇게 될 경우 기존 A 를 저장하고 있는 페이지가 쓸데없이 공간을 차지한다.
            1. 이런 공간을 정리하기 위해 최근 SSD를 비롯한 플래시 메모리는 가비지 컬렉션(garbage collection) 기능을 제공한다. 유효한 페이지들만 새로운 블록으로 복사한 후 기존 블록을 삭제하여 공간을 정리하는 기능이다.
                1. 가비지 컬렉션은 기존 A’, B, C 유효한 페이지를 새로운 블록에 복사한뒤 기존 블록을 삭제하는 기능이다.

19. 보조기억장치를 더욱 안전하고 빠르게 활용하는 방법

1. 복수 배열 독립 디스크? RAID(Redundant Array of Independent Disks) 는 주로 하드 디스크와 SSD 를 사용하는 기술로, 데이터의 안전성 혹은 높은 성능을 위해 여러 개의 물리적 보조기억장치를 마치 하나의 논리적 보조기억장치처럼 사용하는 기술을 의미한다.
    1. RAID 구성 방법을 RAID 레벨이라 표현한다.
    2. RAID 0 은 여러 개의 보조기억장치에 데이터를 단순히 나누어 저장하는 구성 방식이다.
        1. 이때 마치 줄무늬처럼 분산되어 저장된 데이터를 stripe 이라 하고, 분산하여 저장하는 것을 striping 이라고 한다.
        2. 스트라이핑되면 데이터를 읽고 쓰는 속도가 빨라진다.
            1. 하나의 대용량 저장 장치를 이용했더라면 여러 번에 걸쳐 읽고 썼을 데이터를 동시에 읽고 쓸 수 있기 때문이다.
        3. 저장된 정보가 안전하지 않다. RAID 0 으로 구성된 하드 디스크 중 하나에 문제가 생긴다면 다른 모든 하드 디스크의 정보를 읽는 데 문제가 생길 수 있다.
    3. RAID 1 은 mirroring 이라고 부르기도 한다. 복사본을 만드는 방식이다.
        1. RAID 0 처럼 데이터 스트라이핑이 사용되긴 했지만, 데이터를 쓸 때는 원본과 복사본 두 군데에 쓴다. 그렇기에 쓰기 속도는 RAID 0 보다 느리다.
        2. 복구가 매우 간단하다. 
        3. 사용 가능한 용량이 적어진다→ 비용 증가 초래
    4. RAID 4 는 오류를 검출하고 복구하기 위한 정보(parity bit)를 저장한 장치를 두는 구성 방식이다.
        1. RAID 1 보다 적은 하드 디스크로도 데이터를 안전하게 보관할 수 있다.
        2. 원래 패리티 비트는 오류 검출만 가능할 뿐 오류 복구는 불가능하다. 하지만 RAID 에서는 패리티 값으로 오류 수정도 가능하다. 
        3. 데이터가 저장될 때마다 패리티를 저장하는 디스크에도 데이터를 쓰게되므로 패리티를 저장하는 장치에 병목 현상이 발생한다.
            1. bottleneck 하나의 구성요소 때문에 전체가 제한을 받는 현상.
    5. RAID 5 는 패리티 정보를 분산하여 저장하는 방식이다. RAID 4 의 병목 현상을 해소.
        1. 디스크가 두 개 이상 고장나면 데이터가 모두 손실된다.
    6. RAID 6 는 서로 다른 두 개의 패리티를 두는 방식이다.
        1. 오류를 검출하고 복구할 수 있는 수단이 두 개 생긴 셈이다. 더 안전하게 데이터를 보관할 수 있다.
        2. 데이터를 저장할 때마다 함께 저장할 패리티가 두 개이므로, 쓰기 속도는 RAID 5 보다 느리다.
    7. RAID 2, 3 은 현재 잘 활용되지 않는다.
    8. RAID 0 과 1 을 혼합한 RAID 10 
    9. RAID 0 과 5 를 혼합한 RAID 50 방식도 있다.
        1. 이렇게 여러 RAID 레벨을 혼합한 방식을 Nested RAID 라고 한다.

20. 입출력장치(보조기억장치 포함)

1. 보조기억장치가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받는 방식은 입출력장치와 크게 다르지 않기 때문이다.
2. 입출력장치는 다루기가 까다롭다.
    1. 입출력장치에는 종류가 많다.
        1. 키보드, 모니터, USB 메모리, CD-ROM, SSD, 마우스, 프린터, 스피커, 마이크
        2. 다양한 입출력장치와 정보를 주고받는 방식을 규격화하기 어렵다.
    2. 일반적으로 CPU 와 메모리의 데이터 transfer rate 는 높지만 입출력장치의 데이터 transfer rate 는 낮다.
        1. transfer rate 이란 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지를 나타내는 지표다.
        2. 물론 어떤 입출력장치는 CPU 나 메모리보다 전송률이 높은 경우도 있지만 이 또한 결과적으로 CPU 나 메모리와 전송률이 비슷하지 않기 때문에 같은 어려움을 겪게 된다.
    3. device controller(I/O controller, I/O module) 라는 하드웨어를 사용해서 위와 같은 문제를 해결한다. 모든 입출력장치는 각자의 장치 컨트롤러를 통해 컴퓨터 내부와 정보를 주고받고, 장치 컨트롤러는 하나 이상의 입출력장치와 연결되어 있다. 
        1. 하드 디스크 또한 장치 컨트롤러가 있다.
        2. CPU 와 입출력장치 간의 통신 중개
        3. 오류 검출
            1. 입출력장치 종류가 많아 정보 규격화가 어려웠던 문제는 장치 컨트롤러가 일종의 번역가 역할을 함으로써 해결할 수 있다. 그 과정에서 장치 컨트롤러는 자신과 연결된 입출력장치에 문제는 없는지 오류를 검출하기도 한다.
        4. 데이터 버퍼링
            1. buffering 이란 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를 buffer 라는 임시 저장 공간에 저장하여 전송률을 비슷하게 맞추는 방법이다.
            2. 버퍼에 데이터를 조금씩 모았다가 한꺼번에 내보내거나, 데이터를 한 번에 많이 받아 조금씩 내보내는 방법이다.
        5. 내부 구조
            1. data register 는 입출력장치와 CPU 가 주고받을 데이터가 담기는 레지스터다.
                1. 버퍼 역할을 한다.
                2. 최근 주고받는 데이터가 많은 입출력장치에서는 레지스터 대신 RAM 을 사용하기도 한다.
            2. status register 는 입출력장치가 입출력 작업을 할 준비가 되었는지, 입출력 작업이 완료되었는지, 입출력장치에 오류는 없는지 등의 상태 정보가 저장된다.
            3. control register 는 입출력장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령을 저장한다.
            4. status register 와 control register 는 하나의 레지스터로 사용되기도 한다.
            5. 이 레지스터들에 담긴 값들은 버스를 타고 CPU 나 다른 입출력장치로 전달되기도 하고, 장치 컨트롤러에 연결된 입출력장치로 전달된다.
    4. device driver 는 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램이다.
        1. device controller 가 입출력장치를 연결하기 위한 하드웨어적 통로라면, 장치 드라이버는 입출력장치를 연결하기 위한 소프트웨어적인 통로다.
        2. device driver 를 인식하고 실행하는 주체는 운영체제다. 즉 운영체제가 device driver 를 인식하고 실행할 수 있다면 그 장치는 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있다.
            1. 운영체제가 기본으로 제공하는 것도 있지만, 장치 제작자가 따로 제공하기도 한다.
    5. 장치 컨트롤러가 CPU 와 정보를 주고받는 방법
        1. 프로그램 입출력 은 기본적으로 프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법이다.
        2. 메모리에 저장된 정보를 하드 디스크에 백업하는 상황
            1. CPU 는 하드 디스크 컨트롤러의 제어 레지스터에 쓰기 명령을 보낸다.
            2. 하드 디스크 컨트롤러는 하드 디스크 상태를 확인한다. 하드 디스크가 준비된 상태라면 하드 디스크 컨트롤러는 상태 레지스터에 준비되었다고 표시한다.
            3. CPU 는 상태 레지스터를 주기적으로 읽어보며 하드 디스크의 준비 여부를 확인한다.(polling) 하드 디스크가 준비됐음을 CPU 가 알게 되면 백업할 메모리의 정보를 데이터 레지스터에 쓴다.
                1. polling 이란 입출력장치의 상태는 어떤지, 처리할 데이터가 있는지를 주기적으로 확인하는 방식이다.
            4. 이렇듯 프로그램 입출력 방식에서의 입출력 작업은 CPU 가 장치 컨트롤러의 레지스터 값을 읽고 씀으로써 이루어진다. CPU 는 장치 컨트롤러의 레지스터들을 어떻게 아는 걸까?
                1. 메모리 맵 입출력 은 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 입출력 방식이다.
                    1. 메모리에 접근하는 명령어와 입출력장치에 접근하는 명령어는 굳이 다를 필요가 없다.
                2. 고립형 입출력 은 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 분리하는 입출력 방식이다.
                    1. 제어 버스에 메모리 읽기/쓰기 선 이외에 입출력장치 읽기/쓰기 선이 따로 있다면 메모리에도 1,024 개의 주소 공간을 활용하고, 입출력장치도 1,024 개의 주소 공간을 활용할 수 있다.
                    2. 메모리에 접근하는 명령어와 입출력장치에 접근하는 명령어가 다르다.
        3. 인터럽트 기반 입출력 은 인터럽트를 기반으로 하는 입출력을 말한다.
            1. 하드웨어 인터럽트는 장치 컨드롤러에 의해 발생한다.
            2. 프로그램 입출력의 폴링보다 부담이 적다. 인터럽트를 활용하면 CPU 가 인터럽트 요청을 받을 때까지 온전히 다른 일에 집중할 수 있기 때문이다.
            3. 입출력장치들의 인터럽트를 어떻게 처리할까?
                1. 우선순위를 반영하여 처리한다.
                    1. PIC(Programmable Interrupt Controller) 라는 하드웨어를 사용한다. PIC 는 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤 CPU 에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트는 무엇인지를 알려주는 장치다.
                        1. 각 핀에는 CPU 에 하드웨어 인터럽트 요청을 보낼 수 있는 약속된 하드웨어가 연결되어 있다.
                        2. PIC 가 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청 신호들을 받아들인다.
                        3. PIC 는 인터럽트 우선순위를 판단한 뒤 CPU 에 처리해야 할 인터럽트 요청 신호를 보낸다.
                        4. CPU 는 PIC 에 인터럽트 확인 신호를 보낸다.
                        5. PIC 는 데이터 버스를 통해 CPU 에 인터럽트 벡터를 보낸다.
                        6. CPU 는 인터럽트 벡터를 통해 인터럽트 요청의 주체를 알게 되고, 해당 장치의 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
                        7. 일반적으로 더 많고 복잡한 장치들의 인터럽트를 관리하기 위해 PIC 를 두 개 이상 계층적으로 구성한다.
        4. DMA(CPU 를 거치지 않고 메모리와 입출력장치 간의 데이터를 주고받는 입출력 방식이다) 입출력
            1. 위의 프로그램 입출력 과 인터럽트 기반 입출력에 공통점이 있다면 입출력장치와 메모리 간의 데이터 이동은 CPU 가 주도하고, 이동하는 데이터도 반드시 CPU 를 거친다는 점이다.
            2. 입출력장치와 메모리 사이에 전송되는 모든 데이터가 반드시 CPU 를 거쳐야 한다면 가뜩이나 바쁜 CPU 는 입출력장치를 위한 연산 때문에 시간을 뺏기게 된다.
            3. 그래서 입출력장치와 메모리가 CPU 를 거치지 않고도 상호작용할 수 있는 입출력 방식인 DMA 가 등장했다.
            4. DMA 입출력을 하기 위해서는 시스템 버스에 연결된 DMA 컨트롤러 라는 하드웨어가 필요하다.
            5. CPU 는 DMA 컨트롤러에 입출력장치의 주소, 수행할 연산(읽기/쓰기), 읽거나 쓸 메모리의 주소 등과 같은 정보로 입출력 작업을 명령한다.
            6. DMA 컨트롤러는 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행한다. 이 때 DMA 컨트롤러는 필요한 경우 메모리에 직접 접근하여 정보를 읽거나 쓴다.
            7. 입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU 에 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알린다.
            8. 시스템 버스는 공용 자원이기 때문에 동시 사용이 불가능하다.
                1. DMA 컨트롤러 와 CPU 가 동시에 시스템 버스를 사용할 수 없다.
                    1. DMA 의 시스템 버스 이용을 사이클 스틸링 이라고 부른다.
                2. CPU, 메모리, DMA 컨트롤러, 장치 컨트롤러가 모두 같은 버스를 공유하는 구성에서는 DMA 를 위해 한 번 메모리에 접근할 때마다 시스템 버스를 두 번 사용하게 되는 부작용이 있다.
                3. DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러들을 입출력 버스 라는 별도의 버스에 연결하여 해결할 수 있다.
                4. 현대 대부분 컴퓨터에는 입출력 버스가 있다. 다시 말해 대부분의 입출력장치는 시스템 버스가 아닌 입출력 버스와 연결된다.
                    1. 입출력 버스에는 PCI(Peripheral Component Interconnect) 버스, PCI Express(PCIe) 버스 등 여러 종류가 있다.
                        1. PCIe 버스와 연결해 주는 통로는 PCIe 슬롯 이다.
                5. DMA 를 통해 입출력장치와 메모리가 CPU 를 거치지 않고 직접 데이터를 주고받을 수 있게 되었지만, 여전히 입출력 명령어를 인출하고, 해석하고, 실행하는 역할은 상당 부분 CPU 의 몫이였다. 그래서 최근에는 명령어를 인출하고, 해석하고, 실행까지 하는 일종의 입출력 전용 CPU 가 만들어졌는데, 이를 입출력 프로세서, 혹은 입출력 채널이라고 부른다.
                    1. 입출력 채널이 있는 컴퓨터에서는 CPU 가 입출력 명령어를 실행하지 않는다. CPU 가 입출력 채널에게 메모리에 저장된 특정 입출력 명령어를 수행하라고 지시하면, 입출력 채널은 해당 입출력 명령어를 인출하고, 해석하고, 실행한 뒤, 인터럽트를 통해 결과를 CPU 에게 알린다.

컴퓨터 구조

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