이 편의 위치 — 전부 재설명하지 않는다

이 시리즈는 3단계 컴퓨터구조·운영체제 과목의 왕초보 정의(이진수란 무엇인가, 프로세스란 무엇인가)를 처음부터 다시 설명하지 않는다. 대신 이 편에서 “4단계 본론을 이해하는 데 반드시 있어야 하는 최소 뼈대”만 빠르게 정리하고, 자세한 내용은 이 사이트의 2단계 컴퓨터구조·운영체제 문서로 연결한다.

쉽게 말하면: 이 편은 본격적인 요리(05편부터)를 시작하기 전에 재료 손질만 빠르게 끝내두는 편이다.

폰 노이만 구조 — 컴퓨터가 프로그램을 실행하는 기본 틀

폰 노이만 구조(von Neumann architecture)는 오늘날 대부분의 컴퓨터가 따르는 설계 원칙이다. 핵심 아이디어는 프로그램(명령어)과 데이터를 같은 기억장치에 저장하고, 프로세서가 그 기억장치에서 명령어를 하나씩 순서대로 꺼내 실행한다는 것이다.

이 구조의 네 가지 핵심 구성요소는 다음과 같다.

• 중앙처리장치(CPU, Central Processing Unit): 명령어를 해석하고 실행하는 부품. 내부에 제어장치(control unit), 산술논리장치(ALU, Arithmetic Logic Unit), 레지스터(register, CPU 내부의 초고속 임시 저장 공간)를 가진다.
• 주기억장치(main memory): 실행 중인 프로그램의 명령어와 데이터를 저장하는 공간. 흔히 RAM(Random Access Memory, 임의 접근 기억장치)이라 부른다.
• 입출력장치(I/O device): 키보드, 모니터, 디스크처럼 컴퓨터와 외부 세계를 연결하는 장치.
• 버스(bus): 이들 사이에서 주소·데이터·제어 신호를 실어 나르는 공용 통로.

비유: 폰 노이만 구조는 “요리사(CPU)가 레시피(명령어)와 재료(데이터)를 같은 냉장고(메모리)에 넣어두고, 필요할 때마다 하나씩 꺼내 쓰는” 부엌과 비슷하다. 레시피와 재료가 같은 곳에 있기 때문에 프로그램을 자유롭게 바꿔 넣을 수 있다는 것이 이 구조의 큰 장점이다.

명령어 실행 사이클

CPU는 하나의 명령어를 처리할 때 정해진 단계를 반복한다. 이를 명령어 실행 사이클(instruction cycle)이라 부른다.

• 인출(fetch): 프로그램 카운터(PC, Program Counter, 다음에 실행할 명령어의 주소를 담은 레지스터)가 가리키는 메모리 위치에서 명령어를 읽어온다.
• 해독(decode): 읽어온 명령어가 어떤 연산인지, 어떤 데이터를 대상으로 하는지 해석한다.
• 실행(execute): ALU가 실제 연산(덧셈, 비교 등)을 수행한다.
• 저장(writeback): 연산 결과를 레지스터나 메모리에 반영한다.

이 사이클은 프로그램이 끝날 때까지 계속 반복된다. 07편의 파이프라인은 바로 이 네 단계(또는 더 세분화된 단계)를 겹쳐 실행해 처리량을 높이는 기법이므로, 이 사이클의 순서를 정확히 기억해 두는 것이 중요하다. 자세한 명령어 형식·주소 지정 방식은 06편에서, 인터럽트를 포함한 확장된 사이클은 이 사이트의 컴퓨터구조 12편에서 다룬다.

운영체제의 역할 — 자원 관리자이자 추상화 제공자

운영체제(OS, Operating System)는 하드웨어와 응용 프로그램 사이에서 두 가지 큰 역할을 한다.

1. 자원 관리(resource management): CPU, 메모리, 입출력 장치 같은 한정된 자원을 여러 프로그램이 안전하고 효율적으로 나눠 쓰도록 조정한다.
2. 추상화(abstraction): 하드웨어의 복잡한 세부사항을 응용 프로그램이 몰라도 되게끔 단순한 인터페이스(시스템 호출, system call)로 감싸서 제공한다.

쉽게 말하면: 운영체제는 “여러 세입자(프로그램)가 하나의 건물(하드웨어)을 쓸 때 방을 배정하고 전기·수도를 관리해주는 관리사무소”다.

이 두 역할은 이후 편에서 다룰 모든 주제의 배경이 된다. CPU 스케줄링(14편)은 자원 관리의 CPU 버전이고, 가상메모리(17편)는 메모리 자원 관리와 추상화가 결합된 예다. 운영체제의 유형(단일 사용자·다중 사용자·다중 프로그래밍·시분할 등)에 대한 자세한 설명은 이 사이트의 운영체제 5편을 참고한다.

프로세스 상태 모델

프로세스(실행 중인 프로그램)는 생애 동안 몇 가지 상태를 오간다. 4단계 본론(13~15편)에서 이 상태 전이를 계산·시나리오 문제에 활용하므로, 기본 형태를 다시 확인해 둔다.

• 생성(new): 프로세스가 막 만들어진 상태
• 준비(ready): CPU만 배정받으면 바로 실행할 수 있는 상태
• 실행(running): 실제로 CPU를 점유해 명령어를 실행 중인 상태
• 대기(waiting): 입출력 등 어떤 사건을 기다리느라 실행할 수 없는 상태
• 종료(terminated): 실행이 끝난 상태

이 상태 사이의 이동은 운영체제의 스케줄러(scheduler)가 결정한다. 상태 전이의 세부 조건과 PCB(Process Control Block, 프로세스 제어 블록)에 대한 자세한 설명은 이 사이트의 운영체제 3편을 참고하고, 이 시리즈에서는 13편에서 이 모델을 4단계 시나리오 문제에 바로 연결한다.

메모리 계층 개요

메모리는 속도와 용량, 비용이 서로 트레이드오프(trade-off, 하나를 얻으면 다른 하나를 잃는 관계) 관계에 있다. 그래서 컴퓨터는 여러 종류의 기억장치를 계층(hierarchy)으로 쌓아 쓴다.

위로 갈수록 접근 속도는 빨라지지만 용량은 작아지고 비용(비트당 가격)은 비싸진다. 이 계층 구조가 성립하는 이유와 각 계층의 세부 동작(캐시의 매핑 방식, 주기억장치의 구성)은 09편부터 본격적으로 다룬다. 지금은 “빠른 것은 작고 비싸며, 느린 것은 크고 저렴하다”는 트레이드오프만 기억해 둔다.

입출력 개요

입출력장치는 CPU보다 훨씬 느리게 동작하는 경우가 많아, CPU가 입출력을 처리하는 방식이 시스템 성능에 큰 영향을 준다. 대표적인 세 가지 방식은 다음과 같다.

이 세 방식의 자세한 동작과 계산 문제는 11편에서 디스크 구조와 함께 깊게 다룬다.

이 편이 앞으로의 편과 연결되는 지점

핵심 정리

• 폰 노이만 구조는 명령어와 데이터를 같은 기억장치에 저장하고, CPU가 이를 인출-해독-실행-저장 사이클로 처리하는 설계다.
• 운영체제는 하드웨어 자원을 관리하고 응용 프로그램에게 단순한 인터페이스를 제공하는 이중 역할을 한다.
• 프로세스는 생성-준비-실행-대기-종료 상태를 오가며, 이 전이는 스케줄러가 결정한다.
• 메모리는 속도·용량·비용의 트레이드오프 때문에 레지스터-캐시-주기억장치-보조기억장치의 계층으로 구성된다.
• 입출력은 프로그램 제어, 인터럽트 기반, DMA의 세 방식으로 구현되며 갈수록 CPU 개입이 줄어든다.

마무리 복습

참고 자료

• 독학사 컴퓨터구조 12편: 명령어 사이클과 인터럽트
• 독학사 운영체제 3편: 프로세스와 상태 모델
• 독학사 운영체제 5편: 운영체제 개요와 유형
• 국가평생교육진흥원 독학학위제