CS 기초학습(7) - 현대적 컴퓨터의 기본 구조

초기의 컴퓨터

플러그보드

• 전기 회로를 수동으로 재구성할 수 있는 장치
• 플러그를 꽂아서 사용하는 간단한 형태의 물리적 컴퓨팅보드
  

펀치카드

• 종이 카드에 구멍을 뚫어 데이터를 기록
  
  

에니그마

• 제 2차 세계대전동안 독일이 사용한 암호화 기계
• 전기적 회로와 회전식 로터를 사용하여 암호를 생성
  

앨런 튜링

독일의 에니그마 암호를 해석하는데 크게 기여한 수학자이다. 에니그마 해독이후, 계속 다른 암호들의 해독을 진행하고 컴퓨터에 대한 연구를 해서 컴퓨터 발전에 크게 기여하였다. 오늘날, 수학자이자 암호학자, 컴퓨터 공학자로 알려져있다.

• 튜링 기계(Turing Machine)
  : 긴 테이프에 쓰여있는 여러 가지 기호들을 일정한 규칙에 따라 바꾸는 기계. 앨런 튜링이 만들었다.

여유 있을 때 영국의 앨런 튜링과 그 팀이 독일의 에니그마 암호를 해석하기 위한 과정을 그린 '이미테이션 게임'을 보는 것을 추천한다.

에니악

• 최초의 전자 컴퓨터
  

내장형 프로그램 방식의 컴퓨터

폰 노이만 구조

• 존 폰 노이만이 제시한 컴퓨터 구조
• 프로그램 내장 방식이라고도 한다.
• 이론상 튜링 머신과 같은 일을 할 수 있다.
• 세 가지 구성요소: 중앙처리장치, 메모리, 프로그램
  

장점

• 단일 메모리 공간: 프로그램과 데이터의 접근이 용이
• 비용 효율성: 단일 메모리와 버스를 사용하므로, 하드웨어의 비용이 상대적으로 낮음
• 유연성: 프로그램이 실행 중에 동적으로 수정되거나 변경될 수 있음. 프로그램의 재배치나 업데이트를 용이하게 함.
• 프로그램 제어의 용이성: 프로그램과 데이터가 동일한 메모리에 위치하므로, 실행 중에 프로그램의 제어 흐름을 변경하거나 데이터에 접근하는 것이 상대적으로 간단함

단점

• 내장 메모리 순차처리 방식으로, 데이터 메모리와 프로그램 메모리가 구분되어 있지 않고 단일의 버스를 가지고 있는 구조 때문에 CPU가 명령어와 데이터에 동시 접근할 수 없다.

하버드 구조

• 폰 노이만 구조의 단점을 보완하여 나타난 컴퓨터 구조
• 명령어와 데이터가 각각 다른 메모리에 저장되고 각기 다른 버스를 가지고 있어 명령어와 데이터를 동시 처리

장점

• 병렬 처리: 프로그램과 데이터가 별도의 메모리와 버스를 사용하므로, 동시에 프로그램 명령어와 데이터를 읽고 쓸 수 있음. 처리 속도가 높다.
• 성능 향상: 높은 처리량, 그리고 메모리 접근 충돌이 적다.
• 보안과 안정성: 데이터와 명령어가 분리되어, 버그나 악성 코드의 간섭이 비교적 줄일 수 있다.
• 전문화된 메모리: 명령어 메모리와 데이터 메모리를 별도로 최적화할 수 있다. 예를 들어, 명령어 메모리는 빠르게 접근할 수 있도록 설계하고, 데이터 메모리는 용량이나 다른 요구 사항에 맞게 최적화할 수 있다.

단점

• 많아진 메모리와 버스만큼 전기 회로가 더 필요하게 되어 공간을 많이 차지하게 된다.
  
  아래는 하버드 구조이다.
  
  
  

현대의 컴퓨터 구조

• 현대에 이르러서는 서로 단점을 보완하기 위해 폰 노이만과 하버드 구조를 섞어 사용하여 디벨롭된 구조를 사용한다.
  

버스

• 컴퓨터 안의 부품 또는 여러 장치 사이를 연결해 데이터와 주소, 제어 신호 등 정보를 전송하는 통로(통신 시스템)
• 관련된 모든 하드웨어 부품들 (선, 광섬유 등) 및 통신 프로토콜을 포함한 소프트웨어를 아울러 말함
• 아래 사진에 나와있는 노란색 부품이 버스다.