8장 폰 노이만 구조와 운영체제
1. 폰 노이만 아키텍처
1. 구체적인 내용
오늘날 우리가 사용하는 거의 모든 컴퓨터는 폰 노이만 아키텍처를 따릅니다. 그중 일반적인 입력 장치는 디스크, 키보드, 마우스, 마이크 등입니다. 일반적인 출력 장치에는 디스크, 모니터, 스테레오 등이 포함됩니다. 또한 출력 장치와 입력 장치를 총칭하여 주변 장치, 저장 장치를 메모리라고도 하며 연산 장치와 컨트롤러를 CPU라고 합니다. 이 시점에서 방금 언급한 디스크와 같이 일부 장치가 입력 장치인 동시에 출력 장치인 현상을 발견하게 됩니다.
그런 다음 데이터의 흐름인 그림의 빨간색 화살표에 초점을 맞춥니다. 입력 장치와 출력 장치가 모두 디스크라고 가정합니다. 이 때 데이터는 디스크에서 메모리로 흐르고 CPU는 메모리에서 데이터를 호출하여 계산한 다음 계산 결과를 메모리로 반환하고 메모리는 계산된 데이터를 메모리로 전송합니다. 디스크. 이 과정에서 우리는 메모리가 주변 장치와 CPU 사이에 다리 역할을 한다는 것을 알게 될 것입니다.
이에 대해 일부 독자는 다음과 같은 질문을 할 수 있습니다. CPU가 주변 장치와 직접 통신할 수 없습니까?
이 질문에 답하려면 모든 사람이 기억의 역할을 이해하도록 해야 합니다.
2. 기억의 역할
시대의 발전과 함께 CPU의 컴퓨팅 속도는 지속적으로 증가하고 있으며 디스크의 읽기 속도도 지속적으로 증가하고 있습니다. 그러나 여전히 디스크의 읽기 속도와 CPU의 작동 속도에는 차이가 있습니다. 이로 인해 CPU는 디스크가 입력한 데이터를 고속으로 계산합니다. 배럴 효과에 따르면 컴퓨터의 전반적인 컴퓨팅 속도는 디스크의 읽기 속도에 의해 결정됩니다. 즉, CPU 속도를 높이는 것은 별 의미가 없습니다.
따라서 이 문제를 해결하기 위해 디스크와 CPU 사이에 메모리라는 매체가 설정됩니다. 메모리의 읽기 속도가 디스크의 읽기 속도보다 빠릅니다. 메모리는 CPU가 데이터 작업을 수행하기 전에 디스크에서 사용할 수 있는 데이터를 미리 읽습니다. 이렇게 하면 CPU가 적시에 계산을 위해 메모리에서 데이터를 신속하게 검색할 수 있습니다.
여기서 또 다른 질문이 있습니다. 메모리의 읽기 속도가 매우 빠르기 때문에 디스크 대신 메모리를 사용하지 않는 이유는 무엇입니까? 이 문제 이면에는 비용 문제가 있는데, 메모리 비용이 디스크 비용보다 훨씬 큽니다. 이것이 바로 노트북 디스크가 거의 모두 512G인 반면 메모리는 16G에 불과한 이유입니다.
2. 운영 체제
1. 운영체제란?
운영 체제는 하드웨어 및 소프트웨어 리소스를 관리하는 소프트웨어입니다. 운영 체제에는 두 가지 기능이 있는데, 한편으로는 하드웨어와 상호 작용하여 모든 하드웨어 및 소프트웨어 리소스를 관리하고, 다른 한편으로는 운영 체제에서 개발되는 다양한 응용 프로그램에 적합한 운영 환경을 제공합니다.
2. 운영 체제의 운영 논리
(1) 하드웨어 관리
첫 번째 질문부터 설명하겠습니다. 운영 체제는 하드웨어를 어떻게 관리합니까?
이 질문에 답하기 전에 우리는 관리의 대상이 무엇인지 이해할 필요가 있습니다. 대학에서 교장이 특정 대학에서 성적이 좋지 않은 학생들을 관리하고 싶다면 결코 그 대학에 직접 가서 학생들을 교육하지 않을 것입니다. 그러면 교장은 그것을 어떻게 관리할 것인가?
우선 대학은 재학생의 인적사항, 학업성취 등의 자료를 선별하여 학교에 보고하게 되며, 이러한 자료를 열람하는 과정에서 교장이 학업성취도가 낮은 학생을 발견하게 된다. , 그런 다음이 학생들의 개인 정보를 전송합니다. 대학의 카운셀러에게 말하고 카운슬러가이 학생들의 학업을 안내하도록하십시오. 즉, 관리의 대상은 특정한 것이 아니라 데이터이다.
위의 프로세스는 다음과 같은 순서도로 그릴 수 있습니다.
그렇다면 이 관리 프로세스는 운영 체제와 어떤 관련이 있습니까?
실제로 위 그림의 학생들은 특정 하드웨어로 간주될 수 있습니다. 그런 다음 시스템은 이러한 하드웨어의 속성과 상태를 설명하기 위해 일부 구조 변수를 생성한 다음 일부 데이터 구조를 사용하여 이러한 개별 구조를 계산합니다. 순간, 운영 체제에 의한 하드웨어 관리가 데이터 관리로 전환됩니다. 운영 체제가 일부 데이터를 조정해야 함을 발견하면 하드웨어 드라이버에 해당 정보를 알리고 하드웨어 드라이버는 특정 하드웨어를 조정합니다.
프로세스는 다음과 같이 매핑할 수 있습니다.
위의 내용은 하드웨어를 관리하는 운영 체제의 일반적인 논리입니다.
그렇다면 운영 체제는 어떻게 애플리케이션에 더 나은 서비스를 제공할까요?
(2) 응용 소프트웨어에 대한 서비스
응용 소프트웨어가 완벽하게 실행되려면 하드웨어가 지원해야 합니다. 하드웨어에서 지원을 받으려면 응용 프로그램이 운영 체제와 상호 작용해야 합니다. 운영 체제가 완전히 노출되면 응용 프로그램 소프트웨어는 운영 체제를 사용하여 원하는 대로 하드웨어 데이터를 관리할 수 있습니다. 그렇게 하는 것은 확실히 안전하지 않습니다. 그래서 이 문제를 해결하기 위해 운영체제는 외부세계에 전체적으로 보이겠지만 안전하고 기본적인 인터페이스를 많이 제공하게 됩니다. 애플리케이션 소프트웨어는 이러한 인터페이스를 통해 운영 체제를 처리할 수 있습니다. 이렇게 하면 운영 체제 및 하드웨어 장치를 보호할 수 있을 뿐만 아니라 적절한 서비스를 위쪽으로 제공할 수 있습니다. 운영 체제에서 제공하는 이러한 인터페이스를 시스템 호출(시스템 호출)이라고 합니다.
그러나 시스템 호출을 사용함에 있어 기능은 비교적 기본적이고 사용자의 개발 수준에 대한 요구 사항은 상대적으로 높습니다. 따라서 일부 고급 및 전용 개발자는 이러한 시스템 호출을 적절하게 캡슐화한 다음 라이브러리를 구성하여 상위 사용자의 개발 효율성을 크게 향상시켰습니다. Linux를 사용할 때 우리가 사용하는 명령어와 쉘 쉘은 실제로 캡슐화된 시스템 호출의 결과입니다.
3. 요약
그러면 위의 소개 이후 크게 두 가지 측면으로 나눌 수 있는데, 저자는 먼저 von Neumann 아키텍처를 소개하였으며, 이 구조는 하드웨어 간의 상호작용 로직을 지향한다. 둘째, 운영 체제의 역할과 작업의 일반적인 논리에 대해 설명했습니다.
모든 내용은 다음 그림으로 요약할 수 있습니다.
