01.시스템보안 - 02.컴퓨터 구조

CPU (속도 빠름, 고가) - 연산처리

1. CPU 구조

이미지 출처

구성요소	상세 기능
ALU(연산장치)	⦁ 각종 산술연산들과 논리연산들을 수행하는 회로 ⦁ 산술연산 : +, -, *, / ⦁ 논리연산 : AND, OR, NOT, XOR
Register(레지스터)	⦁ CPU 내부의 소규모 데이터나 중간 결과를 일시적으로 기억해 두는 고속의 전용 영역 ⦁ 컴퓨터 기억장치 중 Access 속도가 가장 빠름
Control Unit(제어장치)	프로그램 코드(명령어)를 해석하고, 그것을 실행하기 위한 제어 신호들(Control Signals)을 발생시킴
내부 CPU 버스	ALU와 레지스터 간의 데이터 이동을 위한 경로

2. Register

종류	내용
PC(Program Counter)	다음에 수행할 명령어가 저장된 주기억장치의 번지를 지정
MAR(Memory Address Register)	주기억장치에 접근하기 위한 주기억장치의 번지를 기억
MBR(Memory Buffer Register)	주기억장치에 입/출력할 자료를 기억하는 레지스터
IR(Instruction Register)	주기억장치에서 인출한 명령코드를 기억하는 레지스터

3. 버스 (전송 라인)

종류	내용
데이터 버스(Data Bus)	시스템 컴포넌트 간 처리 데이터를 전송하기 위한 용도
주소 버스(Address Bus)	⦁ 기억장소의 위치 또는 장치 식별을 지정하기 위한 라인 ⦁ 라인의 비트 수에 따라 접속될 수 있는 장치의 용량이 결정됨
제어 버스(Control Bus)	CPU와 기억장치 또는 I/O 장치 사이의 제어 신호를 전송하는 라인

4. Instruction Cycle

단계	동작설명
인출(Instruction Fetch)	인출단계는 메모리(Memory)에서 데이터를 로드(Load)하여 CPU에 있는 레지스터(Register)에 적재하는 과정
간접(Indirect)	⦁ 메모리를 참조할 때 간접주소 방식을 사용하는 경우에 실행 ⦁ 간접주소란 CPU가 메모리를 참조했을 때 데이터가 존재하는 것이 아니라 메모리에 주소가 존재하여 메모리 내에서 한 번 더 조회해서 데이터를 얻는 것
실행(Execution)	명령과 데이터로 CPU가 산술 및 논리연산을 수행하는 것
인터럽트(Inturrupt)	⦁ 컴퓨터 작동 중 예기치 않은 문제가 발생한 경우라도 업무 처리가 계속될 수 있도록 하는 컴퓨터 운영체제의 한 기능으로, 크게 하드웨어 인터럽트와 소프트웨어 인터럽트로 나눔 ⦁ SVC 하드웨어 인터럽트 : 기계착오 인터럽트, 외부 인터럽트, 입출력 인터럽트, 프로그램 검사 인터럽트 ⦁ 소프트웨어 인터럽트 : CPU 내부에서 자신이 실행한 명령이나 CPU의 명령 실행에 관련된 모듈이 변화하는 경우 발생

메모리 - 임시 기억

1. 캐시 메모리

• CPU와 Memory 속도 차이 해결
• 캐시사상 방법
  • 직접사상
    • 메인 메모리를 분할하여 Cache 슬롯과 매핑
    • 장점 : 매핑 절차가 단순하고 신속하게 처리
    • 단점 : 높은 캐시 미스율 (같은 블록에 사상되는 데이터 캐시 적재 시 교체 발생)
  • 연관사상(가장 빠름)
    • 메인 메모리의 각 블록이 Cache 어느 슬롯이든 적재 가능
    • 장점 : 지역성 높은 접근 시 캐시 적중률 높음
    • 단점 : 구현 하드웨어가 복잡하여 구현 비용 상승
  • 집합연관사상
    • 직접/연관 절충안으로 메인메모리 구역을 셋으로 묶어 Cache 슬롯과 매핑
    • 장점 : 직접사상과 연관사상의 장점 수용
    • 단점 : 캐시 Fin/Fout 발생 증가. 구현 비용이 많이 듦.

• 교체기법 :

  종류	세부 내용	특징
  Random	교체될 page 를 임의 선정	overhead 적음
  FIFO (First in First Out)	캐시 내에 오래 있었던 page 교체	자주 사용되는 page가 교체될 우려
  LFU (Least Frequently Used)	사용 횟수가 가장 적은 page 교체	최근 적재된 page가 교체될 우려
  LRU (Least Recently Used)	가장 오랫동안 사용되지 않은 page 교체	time stamping overhead 존재
  Optimal	향후 가장 참조되지 않을 page 교체	실현 불가능
  NUR (Not Used Recently)	참조비트, 수정비트로 미사용 page 교체	최근 사용되지 않은 page 교체
  SCR (Second Chance Replacement)	최초 참조비트 1로 셋, 1인 경우 0으로 셋, 0인 경우 교체	기회를 한번 더 줌

• 페이지 교체 관리 시 문제점 :

  문제점	세부 내용
  Page Fault 발생 (페이지 부재)	기억장치에 적재되지 않은 Page를 사용하려 할 때 Page Fault 발생
  Demand Paging (요구 페이징)	요구될 때에만 Process가 Page를 적재하는 방식
  Thrashing 발생 (스레싱)	Page 부재가 너무 빈번하게 발생하여 CPU가 Process 수행보다 Page 교체에 더 많은 시간을 소요하는 비정상적인 현상

• 페이지 부재 예방

  종류	세부 내용
  Load Control	일정 시간 동안 새로운 프로세서가 생성되는 것을 지연시키고 Suspend Queue에 대기시켜서 Thrashing 현상을 감소시킴
  Locality(구역성)	시간과 공간 지역성을 집중적으로 참조함
  Working Set(워킹셋)	일정 시간 동안 참조되는 페이지 집합(Working Set)을 주기억장치에 유지
  PFF(Page Fault Frequency)	⦁ Process의 Page Fault 빈도에 따라 Residence set을 조정 ⦁ PFF가 높으면 Residence set의 크기 증가, 낮으면 감소

• 캐시 메모리 일관성 (Cache Coherence)
  • 캐시 메모리 일관성 유지 방식
    • 멀티프로세서 환경에서 각 프로세서가 캐시를 보유하며 캐시에 로드된 데이터를 변경한 경우 주기억장치의 데이터와 동일하게 유지하는 메커니즘
  • Write through
    • CPU가 캐시 메모리와 주기억장치를 동시에 수정
  • Write back
    • 캐시 메모리만 수정 후 나중에 일괄적으로 주 기억장치를 수정

2. 가상 메모리

• 가상 메모리의 개념
  • 보조기억장치를 주기억장치처럼 사용하여 주기억장치의 공간을 확대
• 가상 메모리 관리 단위
  • 페이지(page) : 가상 기억장치 상에서 동일한 크기의 최소 논리 분할 단위로 나눈 것

  • 세그먼트(segment) : 사용자 주소 공간을 용도별로 논리적 단위로 나눈 것

    구분	Paging 기법	Segment 기법
    할당	고정(Static) 분할	가변(Dynamic) 분할
    적재	요구 Page만 일부 적재(On-demand)	프로그램 전체 적재(On-demand)
    관점	메모리 관리 측면	파일 관리 측면
    장점	⦁ 요구 Page만 적재 Load ⦁ 외부 단편화 해결 ⦁ 교체시간 최소	⦁ 사용자 관점 ⦁ 개발/프로그래밍 용이 ⦁ 내부 단편화 해결 ⦁ 코드, 데이터 공유 용이
    단점	⦁ 내부 단편화(Fragmentation) 발생 ⦁ Thrashing, 잦은 디스크 I/O 유발	⦁ 외부 단편화 심각 ⦁ 메인 메모리가 커야 함

    • 내부 단편화 : 블록 내 할당 공간을 모두 사용하지 않고 빈 공간이 생김
    • 외부 단편화 : 블록과 블록사이의 빈 공간이 프로그램보다 작아 활용할 수 없음

• 가상 메모리 관리 정책

  종류	세부 내용	기법의 유형
  할당 기법 (Allocation)	프로세스에게 할당되는 메모리 블록의 단위를 결정	고정 할당, 가변 할당, Paging, Segmentation
  호출 기법 (Fetch Policy)	보조기억장치에서 주기억장치로 적재할 시점 결정	Demand Fetch, Pre Fetch
  배치 기법 (Placement)	요구된 페이지를 주기억장치의 어느 곳에 적재할 것인지를 결정	First fit, Best fit, Next fit, Worst fit
  교체 기법 (Replacement)	주기억장치 공간 부족 시 교체 대상 결정	Random, FIFO, LRU, LFU, NUR, SCR, Optimal

• 할당 정책(Allocation Policy)

  구분	종류	세부 내용
  연속 할당	고정 분할	⦁ 고정된 크기의 단위로 메모리 할당 ⦁ 내부 단편화 발생
  	가변 분할	⦁ 할당 단위를 요청마다 다른 크기로 할당 ⦁ 외부 단편화 발생
  비연속 할당	Paging	가상 메모리 블록을 페이지 단위 관리. TLB와 MMU, Page table로 관리
  	Segmentation	가변 크기인 세그먼트로 분할, Segment Table로 관리

I/O 인터페이스

1. I/O Interface

• CPU 경유 유무에 따른 분류
  • CPU 경유 : 프로그램에 의한 I/O, 인터럽트에 의한 I/O
    • 프로그램에 의한 I/O
      • 컴퓨터 메모리에 기록된 입출력 명령에 의해 수행
      • CPU가 주변장치를 연속 감시하는 Polling 방식
      • 프로세서의 시간을 낭비하고 처리 효율이 낮음
    • 인터럽트에 의한 I/O
      • CPU가 주변 장치들의 데이터 전송을 위한 인터럽트 요청을 감지하면 수행 중이던 작업을 중단하고 데이터 전송을 처리하기 위해 서브루틴으로 분기하여 전송을 수행
  • CPU 비경유 : DMA (Direct Memory Access Controller) Channel I/O
    • CPU의 개입 없이 I/O 장치와 기억장치 사이의 데이터를 전송하는 방법
    • 속도가 빠르다.
• DMA 동작 방식
  • Cycle Stealing : DMA 제어기와 CPU가 BUS 를 공유하며, CPU가 BUS를 사용하지 않는 사이클에만 접근한다. CPU보다 높은 우선순위를 가진다.
  • Burst Mode : DMA 제어기가 BUS를 점유하며, 동작 완료 후 BUS의 점유를 해제한다.

2. I/O Processor

• 채널에 의한 입출력
  • Selector 채널 : 한 번에 한 개씩 데이터를 주기억장치에게 전송
  • Multiplexer 채널 : 동시에 많은 데이터를 전송
    • Byte Multiplexer
    • Block Multiplexer
  • I/O 장치의 다양함, 복잡함
    • CPU나 DMA 대신 독립된 입출력 프로세서인 채널이 입출력을 담당
    • 채널이 입출력을 수행하는 동안 CPU는 다른 작업을 처리해 효율 향상
• I/O Processor의 종류
  • Multiplexer Channel
    • 저속장치(Printer, Serial 등) 연결
    • 시분할 방식으로 Byte 단위 전송
  • Selector Channel
    • 고속장치(Disk, CDROM), 단일 입출력만 가능
    • Burst Mode 동작
  • Block Multiplexer Channel
    • Hybrid 모드
    • 동시에 여러 I/O 처리 (블록 단위)
  • Byte Multiplexer Channel
    • 한 개의 채널에 여러 개의 입출력 장치를 연결하여 시분할 공유하는 방식
    • 저속 입출력 방식