컴퓨터 성능 향상 기술

메인보드 내 메모리와 주변장치는 시스템버스(FSB)로 연결되어 있고, 

 

CPU 내 ALU, 제어장치, 레지스터는 CPU 내부 버스(BSB)로 연결되어 있다.

 

따라서 메모리의 속도는 시스템 버스의 속도와 같고, CPU의 속도는 CPU 내부 버스의 속도와 같다.

 

CPU 내부 버스의 속도가 시스템 버스의 속도 보다 빠르기 때문에 메모리를 비롯한 주변장치의 속도가 CPU의 속도를 따라가지 못한다.

 

성능 향상 기술은 메모리의 작업 속도를 올리기 위해 개발된 기술 중 운영체제와 관련된 기술을 살펴보자.

 

 

버퍼

 

버퍼는 속도에 차이가 있는 두 장치 사이에서 그 차이를 완화하는 역할을 한다. 보관 창고에서 귤 5개를 도마로 옮길 때 하나씩 옮기는 것보다 바구니로 5개를 옮길 수 있는데, 여기서 바구니가 버퍼에 해당한다.

일정량의 데이터를 모아서 옮김으로써 속도 차이를 완화할 수 있다. 버퍼를 사용하면 버퍼가 다 채ㅐ워질 때까지 저장장치 간에 데이터 전송이 지연된다.

 

스풀

 

버퍼와 유사한 용어로 프린터의 스풀러를 떠올려보자. 스풀러는 출력 명령을 내린 프로그램과 독립적으로 동작하는데, CPU와 입출력장치가 독립적으로 동작하도록 고안된 소프트웨어 버퍼이다.

버퍼와 스풀의 차이는 프로그램들이 버퍼를 공유할 수 있지만, 스풀은 공유할 수 없다.

 

캐시

 

캐시야말로 메모리와 CPU간의 속도 차이를 완화하기 위해 메모리의 데이터를 미리 가져와 저장해두는 임시 장소이다. 캐시는 필요한 데이터를 모아 한꺼번에 전달하는 버퍼의 일종으로 CPU가 앞으로 사용할 것으로 예상되는 데이터를 미리 가져다 놓는다.

캐시는 CPU안에 있으며 CPU 내부 버스의 속도로 작동한다.

CPU는 메모리에 접근해야 할 때 캐시를 먼저 방문하여 원하는 데이터가 있는지 찾아본다.(캐시가 있으면 캐시 히트, 없으면 캐시 미스)

일반적인 컴퓨터의 캐시 적중률은 90%이며, 컴퓨터의 성능을 향상시키려면 캐시 적중률이 높아야 하는데, 그 방법 중 하나는 캐시의 크기를 늘리는 것이다.

캐시의 크기가 커지면 더 많은 데이터를 미리 가져올 수 있어 캐시 적중률이 올라간다.

 

캐시의 즉시 쓰기와 지연 쓰기

캐시에 있는 데이터가 변경되는 경우 이를 반영해야 하는데 즉시 쓰기 방식과 지연 쓰기 방식이 있다.

 

• 즉시 쓰기
• 캐시에 있는 데이터가 변경되면 이를 즉시 메모리에 반영
• 메모리와의 빈번한 데이터 전송으로 성능이 느려짐
• 메모리의 최신 값이 항상 유지되기 때문에 데이터를 쉽게 잃어버리지 않음
• 지연 쓰기
• 캐시에 있는 데이터가 변경되면 변경된 내용을 모아서 주기적으로 반영(카피 백이라고도 함)
• 메모리와의 데이터 전송 횟수가 줄어들어 성능 향상 기대
• 메모리와 캐시된 데이터 사이의 불일치가 발생할 수 있다는 단점

 

L1캐시와 L2캐시

캐시는 명령어와 데이터를 구분하여 가져오는 특수 캐시와 명령어와 데이터 구분 없이 메모리와 연결되어 있는 일반 캐시로 나뉨

 

• L1 캐시
• 특수 캐시는 L1캐시(Level1 캐시)라고 부르며, 명령어 캐시와 데이터 캐시를 구분해서 CPU에 직접 데이터를 공급해줌
• L2 캐시
• 일반 캐시는 L2캐시라고 부르며 메모리에서 가져온 캐시 데이터를 뜻함(L2캐시에서 L1캐시로 나눠짐)

 

 

 

 

저장장치의 계층 구조

좋은 성능을 내는 컴퓨터를 구성하고 싶다면 저장장치로 하드디스크보다 SSD를 사용하고, 메모리를 하드디스크 크기만큼 확장하며, 캐시를 크게 늘려 캐시 적중률을 높이는 방법이 있다.

 

저장장치는 빠르게 동작할 수록 비싸기 때문에 용량이 작고 빠른 저장장치를 CPU와 가깝게 두고 용량이 크고 느린 저장장치를 CPU에서 먼곳에 배치함으로서 속도와 용량의 효율성을 얻을 수 있다.

 

 

 

인터럽트

 

인터럽트 방식은 CPU가 직접 입출력장치에서 데이터를 가져오거나 내보내지 않고, CPU의 작업과 저장장치의 데이터 이동을 독립적으로 운영함으로써 시스템의 효율을 높이는 방식이다.

즉, 데이터의 입출력이 이뤄지는 동안 CPU가 다른 작업을 할 수 있다. 여기서 저장장치의 데이터 이동을 당당하는 부분을 입출력 관리자 또는 장치 관리자라고 한다.

 

인터럽트 방식 동작 과정

1. CPU가 입출력 관리자에게 입출력 명령을 보낸다.
2. 입출력 관리자는 명령받은 데이터를 메모리에 가져다 놓거나 메모리에 있는 데이터를 저장장치로 옮긴다
3. 데이터 전송이 완료되면 입출력 관리자는 완료 신호(인터럽트)를 CPU에 보낸다.

 

 

CPU는 입출력 관리자에게 작업 지시를 내리고 다른 일을 하다가 완료 신호(인터럽트)를 받으면 하던 일을 중단하고 옮겨진 데이터를 처리한다.

 

인터럽트 방식에서는 많은 주변장치 중 어떤 것의 작업이 끝났는지를 CPU에 알려주기 위해 인터럽트 번호(IRQ: Interrupt ReQuest)를 사용한다. CPU는 인터럽트 번호로 어떤 주변장치에게 신호를 받았는지 알 수 있고, 이 번호는 운영체제 마다 다르다.

 

또한 동시에 인터럽트 신호를 받을 수 있는데 그때마다 인터럽트를 여러 번 날리는 것은 비효율적이기 때문에 여러 개의 인터럽트를 하나의 배열로 만든 인터럽트 벡터를 사용한다.

 

위 그림에서는 0번과 3번의 작업이 동시에 완료되어 인터럽트 0번과 3번이 동시에 발생했다. CPU는 0번과 3번의 작업을 동시에 처리한다.

 

직접 메모리 접근(Direct Memory Access)

CPU에게 명령을 받은 입출력 관리자는 CPU가 요청한 데이터를 메모리에 가져다 놓아야 하는데, 메모리는 CPU만 접근 권한을 가진 작업 공간이기 때문에 입출력 관리자는 접근이 불가능하다. 따라서 입출력 관리자에게는 CPU의 허락 없이 메모리에 접근할 수 있는 권한이 필요한데 이 권한을 직접 메모리 접근이라고 한다.

 

 

 

메모리 매핑 입출력(Memory Mapped I/O, MMIO)

직접 메모리 접근을 사용하면 메모리에는 CPU가 사용하는 데이터와 입출력 장치가 사용하는 데이터가 섞여있다. 따라서 CPU가 사용하는 메모리 공간과 직접 메모리 접근을 통해 들어오거나 나가는 데이터 공간을 분리해서 관리한다. 이렇게 메모리의 일정 공간을 입출력에 할당하는 기법을 메모리 매핑 입출력이라고 한다.