운영체제와 컴퓨터 하드웨어 구조 이해하기

컴퓨터는 우리가 매일 사용하는 도구지만 내부 구조와 작동 원리를 알면 더욱 효율적으로 활용할 수 있다. 

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1. 운영체제란? 컴퓨터의 두뇌 같은 시스템 소프트웨어

운영체제는 컴퓨터 하드웨어(CPU, 메모리, 입출력 장치 등)가 사용자 기대에 맞춰 작동하도록 돕는 시스템 소프트웨어다.

운영체제를 플랫폼 소프트웨어라고도 부르며 사용 기기와 목적에 따라 다양한 유형이 존재한다.

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2. 컴퓨터 하드웨어 구조

컴퓨터는 다음과 같은 주요 하드웨어 요소로 구성된다:

CPU (중앙처리장치)

컴퓨터의 연산과 제어를 담당하는 두뇌 역할

• ALU: 산술 및 논리 연산 수행
• CU: 명령어 해석 및 실행 제어
• Register Set: 데이터를 임시로 저장하는 고속 메모리

메인 메모리

• 프로그램 실행 시 데이터를 저장하는 공간(RAM)
• 실행 중인 프로그램의 데이터를 저장하고 관리하며 CPU와 직접 연결되어 빠른 데이터 처리를 지원한다

버스 시스템

• 데이터 전송을 위한 통로로 데이터 버스, 컨트롤 버스, 어드레스 버스로 구분된다.
• CPU, 메모리, 입출력 장치 간 데이터를 주고받는 핵심 역할을 한다.

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3. CPU 작동 원리

주요 구성 요소

• ALU: 산술 및 논리 연산 전담
• CU: 명령어 해석 및 ALU에 전달
• Register Set: 데이터 저장 및 명령어 처리 보조

주요 레지스터

1. 프로그램 카운터(Program Counter): 실행할 다음 명령어 주소 저장
2. 인스트럭션 레지스터(Instruction Register): 현재 실행 중인 명령어 저장
3. 어드레스 레지스터(Address Register): 메모리 주소 저장
4. 버퍼 레지스터(Buffer Register): 입출력 데이터 임시 저장
5. 스택 포인터(Stack Pointer): 스택 구조 데이터의 꼭대기 주소 저장

클럭 펄스(Clock Pulse)

CPU와 컴퓨터의 동작을 동기화하기 위한 신호로 컴퓨터의 리듬 역할을 한다.

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4. 폰 노이만 구조

폰 노이만 구조는 오늘날 대부분의 컴퓨터가 따르는 기본 설계다.

• 특징: CPU와 메모리를 버스 시스템으로 연결해 프로그램을 저장하고 실행
• 장점: 프로그램 변경 시 회로 수정 없이 메모리에 새로운 프로그램 저장 가능

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5. 프로그램 실행 과정

컴파일 및 실행

1. 프로그래밍 언어로 작성된 코드 → 어셈블리 코드 → 바이너리 코드(1과 0)
2. 바이너리 코드는 실행 파일로 저장되고 실행 시 메모리에 올라가 CPU가 처리
3. Fetch → Decode → Execution 단계로 명령어 처리
   • Fetch: 명령어를 메모리에서 가져오기
   • Decode: 명령어를 해석(CU 담당)
   • Execution: 명령어 실행(ALU 담당)

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6. 인터럽트와 처리 과정

인터럽트란?

• CPU가 작업 중 우선 처리해야 할 상황이 발생하면 기존 작업을 멈추고 새로운 작업을 처리하도록 신호를 보내는 과정

종류

1. 동기 인터럽트(예외): CPU 내부 오류나 예외 상황에서 발생
2. 비동기 인터럽트: 하드웨어 장치(마우스, 키보드 등)의 신호로 발생

인터럽트 핸들링

• 운영체제와 CPU가 협력해 인터럽트 서비스 루틴을 실행하여 처리
• 기존 작업은 멈추고 인터럽트를 처리한 뒤 다시 원래 작업으로 복귀