[컴퓨터 공학] 기초

• 컴퓨터 구조
  컴퓨터는 단순하게 말하자면 하드웨어와 소프트웨어가 합쳐진 형태
  하드웨어란 전자 회로 및 기계 장치로 되어 있어 입출력 장치, 중앙처리장치(CPU), 기억장치 등으로 구성
  소프트웨어는 그 하드웨어 위에서 하드웨어를 제어하며 작업을 수행하는 프로그램

• 컴퓨터의 기본 구성 요소

1. 입력 장치
   입력장치는 컴퓨터가 처리할 수 있는 형태로 데이터와 명령을 받아들이는 물리적인 장치
   기본적으로는 키보드와 마우스에서부터, 스캐너와 타블렛, 혹은 조이콘 같이 컴퓨터에 연결하여 무언가를 입력할 수 있는 장치를 입력 장치
2. 출력 장치
   출력장치는 처리된 데이터를 사람이 이해할 수 있는 형태로 출력하는 물리적인 장치
   가장 대표적인 출력장치는 모니터로, 컴퓨터에서 나오는 글자, 그림 등의 결과를 화면에 보여주는 장치 + 프린터
3. 중앙처리장치
   CPU의 내부 구성은 크게 산술/논리 연산 장치(ALU)와 제어 장치, 레지스터로 구성
   산술은 덧셈을 수행하는 것이고, 제어 장치는 프로그램에 따라 명령과 제어 신호를 생성하여 각종 장치의 동작을 제어하는 것 그리고 레지스터는 CPU의 내부 메모리로서 CPU에서 사용하는 데이터를 일시적으로 저장하는 장소
4. 저장장치
   저장장치는 데이터나 프로그램을 보관하기 위한 일차 기억 장치인 주 기억 장치(Memory)와 주 기억 장치를 보조하기 위한 디스크와 씨디 같은 보조 기억 장치가 존재
   프로그램 수행을 위해 필요한 정보에 비해 중앙처리장치 내에 구비되어 있는 레지스터의 용량이 너무 작기 때문에, 주 기억 장치는 주로 정보를 저장해 두었다가 필요할 때 읽어들이는 저장소로 사용 , 주 기억 장치의 종류로는 RAM과 ROM이 존재
   보조 기억 장치는 그런 주 기억 장치를 보조하기 때문에 주 기억 장치에 비해 기억된 내용을 읽는 속도는 느리지만 대용량의 기억이 가능하며 현재 사용하지 않는 프로그램은 보조 기억 장치에 저장 , 보조 기억 장치의 종류로는 플로피 디스크와 하드 디스크 같은 자기 디스크가 존재하고, CD와 DVD 같은 광 디스크, 그리고 USB와 SSD 같은 플래쉬 메모리가 존재

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• CPU
  CPU 의 내부 구성은 크게 산술/논리 연산 장치(ALU), 제어 장치와 레지스터로 구성 , 산술은 덧셈을 수행하는 것이고, 제어 장치는 시그널을 통해서 데이터 흐름을 통제하는 것이며 레지스터는 CPU 내부의 메모리

1. 산술/논리 연산 장치
   산술적인 연산과 논리적인 연산을 담당하는 장치로 가산기, 보수기, 누산기, 기억 레지스터, 데이터 레지스터 등으로 구성 , 부동소숫연산장치(FPU)와 정수연산장치, 논리연산(AND, OR 등)장치 등
2. 레지스터
   레지스터(Register)는 중앙처리장치(CPU) 내부에 있는 기억장치
   범용레지스터와 전용레지스터로 구분
   레지스터의 종류는 다음 3가지가 있다.
   -IR (Instruction Register) : 현재 수행 중에 있는 명령어 부호를 저장하고 있는 레지스터
   -PC (Program Counter) : 명령이 저장된 메모리의 주소를 가리키는 레지스터
   -AC (Accumulator) : 산술 및 논리 연산의 결과를 임시로 기억하는 레지스터
3. 제어장치
   CPU가 자신 및 주변기기들을 컨트롤하는 장치
   프로그램의 수행 순서를 제어하는 프로그램 계수기(program counter), 현재 수행중인 명령어의 내용을 임시 기억하는 명령 레지스터(instruction register), 명령 레지스터에 수록된 명령을 해독하여 수행될 장치에 제어신호를 보내는 명령해독기(instruction decoder)로 이루어져있다.
   

• CPU의 기능
  CPU의 기능은 명령어와 데이터에 관련
  명령어 인출 및 해독은 모든 명령어들에 대하여 공통적으로 수행하며 기억 장치로부터 명령어를 읽어온다.
  데이터 인출 및 처리, 쓰기와 같은 것들은 명령어에 따라 필요할 때만 수행한다.

-명령어
명령어는 시스템이 특정 동작을 수행시키는 작은 단위
명령어는 코드로 되어 있는데, 동작코드(Op-code : Operational Code)와 오퍼랜드(Operand)로 구성

• 동작 코드(Op-code): 각 명령어의 실행 동작을 구분하여 표현합니다.
• 오퍼랜드(Operand): 명령어의 실행에 필요한 자료나 실제 자료의 저장 위치를 의미합니다.

• 명령어 수행 과정
  
• 명령어 처리 방식

1. CISC (하나의 기능에 해당하는 하나의 명령이 있는 개념)
   여러 사이클로 명령어를 처리합니다.
   많은 명령어가 메모리를 참조하는 처리 방식입니다.
   파이프라이닝의 사용이 어렵습니다.
   복잡한 마이크로 프로그램 구조를 갖고 있습니다.
2. RISC (컴퓨터 내부적으로 사용하는 명령어 세트를 단순화 시켜서 처리하는 형태의 구조이며, 단순한 명령을 조합해서 하나의 기능)
   하나의 사이클로 명령어를 처리합니다.
   메모리 Load / Store 명령만 처리하는 방식입니다.
   파이프라이닝, 슈퍼스칼라의 사용이 가능합니다.
   복잡한 컴파일러 구조를 갖고 있습니다.

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• Memory
  일반적으로 메모리라고 하면 기억이라는 개념
  기억장치와 메모리의 차이는 “휘발성”인데, 메모리는 시스템이 활성화 된 상태에서 그 값을 기억하고 있지만 시스템이 꺼지게 되면(ShutDown) 지워지게 된다. 그에 비해 보조 기억장치는 시스템이 꺼져도 기억하고 있는 값이 휘발되지 않는다.

• 메모리 성능
  메모리의 속도는 메모리가 CPU와 데이터를 주고받는 시간

1. 리프레시 시간
   메모리는 일정 시간마다 재충전을 해줘야 하는데, 그렇지 않으면 정보는 사라지게 된다. 이는 메모리에서 한번 읽고 나서 다시 읽을 수 있는 사이 시간을 말한다.
2. 메모리 액세스 시간
   메모리 액세스 시간은 데이터를 읽어오라는 명령을 받고 데이터를 읽기 시작하기까지의 시간을 말한다. CPU에서 명령어를 처리할 때 명령어가 갖는 주소를 보낸다. 그러면 CPU에 그 주소에 해당하는 값을 가져 오게 되는데 걸리는 시간이 액세스 시간이다.
3. 사이클 시간(리프레시 시간 + 메모리 액세스 시간)
   사이클 시간은 메모리 작업이 완료와 동시에 대기 신호를 내놓은 후 다음 신호를 받을 준비가 되었다는 신호를 주기까지의 시간을 의미한다. 즉 사이클 시간은 메모리 액세스 시간과 리프레시 시간을 더한 것이다.

• 메모리 종류
  메모리 중 주 기억 장치의 종류로는 RAM과 ROM가, 보조 기억 장치의 종류로는 자기 디스크, 광디스크, 플래시 메모리가 있다.

• 보조기억장치

1. 자기 디스크
   원판 표면의 철 입자의 방향(N/S극)으로 0과 1을 표현합니다. 디스크 드라이브는 자기 디스크로부터 데이터를 읽는 주변 장치를 의미합니다.
   자기 디스크에는 플로피 디스크(FDD)와 하드 디스크(HDD)가 존재합니다.
2. 광 디스크
   광 디스크(optical disc, OD)는 빛의 반사를 이용하여 자료를 읽어내는 저장 매체입니다.
   1세대인 CD부터 시작해 2세대 DVD를 거쳐 3세대인 블루레이 디스크까지 존재하고 있습니다. 차세대 디스크로는 테라 디스크나 HVD등이 존재합니다.
3. 플래시 메모리
   전자적으로 데이터를 지우고 쓸 수 있는 비휘발성 메모리로 충격에 강하여 휴대용 기기에 널리 쓰입니다.
   플래시 메모리에는 USB와 SSD가 존재하고 있으며, SSD는 HDD와 달리 디스크, 헤더와 같은 기계적 장치는 빠졌지만 저전력, 저소음, 저중량이라는 특징을 가지고 있습니다.

• 캐시 메모리
  캐시 메모리는 CPU 내 또는 외에 존재하는 메모리로써, 메인 메모리와 CPU 간의 데이터 속도 향상을 위한 중간 버퍼 역할
  빠른 CPU 의 처리속도와 상대적으로 느린 메인 메모리에서의 속도의 차이를 극복하는 완충 역할을 해준다.

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• 운영체제
  하드웨어는 단지 그 하드웨어의 특정 기능을 수행 할 뿐인데, 이 컴퓨터라는 하드웨어 상에 프로그램들이 동작되려면 이 하드웨어들과 적절하게 데이터틀 주고 받으며 논리적인 일들을 해야만 한다. 그 하드웨어에게 일을 시키는 주체가 바로 운영체제

• 운영체제의 목적 및 기능
  프로세서, 기억장치, 입출력장치, 파일 및 정보 등의 자원을 관리한다.
  자원을 효율적으로 관리하기 위해 자원의 스케줄링 기능을 제공한다.
  스케줄링이란 어떤 자원을 누가, 언제, 어떤 방식으로 사용할지를 결정해주는 것을 뜻한다.
  사용자와 시스템 간의 편리한 인터페이스를 제공한다.
  시스템의 각종 하드웨어와 네트워크를 관리하고 제어한다.

• 운영 체제의 시스템 자원 관리
  운영체제가 없다면 응용 프로그램이 실행될 수 없다.
  응용 프로그램은 컴퓨터를 이용해 다양한 작업을 하는 것이 목적이고, 운영체제는 응용 프로그램이 하드웨어에게 일을 시킬 수 있도록 도와준다.
  하드웨어를 구성하는 일을 하는 CPU, 자료를 저장하는 RAM, 디스크 등의 시스템 자원을 관리하는 주체가 바로 운영체제
  -프로세스 관리(CPU)
  -메모리 관리
  -I/O(입출력) 관리 (디스크, 네트워크 등)

// 응용 프로그램은 실행되고, 시스템 자원을 사용할 수 있도록 권한과 사용자를 관리한다.

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• 프로세스
  프로세스는 프로그램이 실행 중인 상태로 특정 메모리 공간에 프로그램의 코드가 적재되고 CPU 가 해당 명령어를 하나씩 수행하고 있는 상태
  예를 들어 Chrome 브라우저를 두 개 실행하면, 두 개의 프로세스가 생성

• 프로세서(Processor)
  프로세서는 하드웨어적인 측면과 소프트웨어적인 측면으로 나누어 볼 수 있습니다.
  하드웨어적인 측면 : 컴퓨터 내에서 프로그램을 수행하는 하드웨어 유닛으로, 중앙처리장치(CPU)를 의미하며 적어도 하나 이상의 ALU와 레지스터를 내장하고 있습니다.
  소프트웨어적인 측면 : 데이터 포맷을 변환하는 역할을 수행하는 데이터 처리 시스템을 의미합니다. 워드프로세서나 컴파일러 등이 여기에 속합니다.

• 프로세스(Process)
  프로세스는 특정 목적을 수행하기 위해 나열된 작업의 목록을 의미합니다. 메모리에 적재 되어 프로세서에 의해 실행 중인 프로그램을 프로세스라고 볼 수 있습니다.

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• 스레드
  스레드는 명령어가 CPU 를 통해서 수행되는 객체의 단위
  하나의 프로세스 내에는 반드시 1개 이상의 스레드가 존재
  이러한 스레드는 같은 프로세스에 있는 자원과 상태를 공유

• 스레드를 사용하는 이유
  하나의 프로세스 안에서 여러 개의 루틴을 동시에 수행하여서 수행 능력을 향상하려고 할 때 스레드를 사용하게 된다. 즉 여러 개의 작업 단위로 구성된 프로그램에서 요청을 동시에 처리하기 위해서이다. 예를 들어, 워드 프로세서에서 사용자로부터 키보드 입력 받거나, 그래픽이나 UI를 그리고 문법 오류를 체크하는 등 워드 프로세서 내에서 여러 요청들을 동시에 처리해야 하는데, 이때 스레드가 필요

• 스레드의 구성요소
  가상 CPU : 인터프리터, 컴파일러에 의해 내부적으로 처리되는 가상 코드
  수행 코드 : Thread Class에 구현되어 있는 run() Method 코드
  처리 데이터 : Thread에서 처리하는 데이터

• 스레드의 특징
  -프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위입니다. 하나의 스레드는 시작해서 종료할 때까지 한번에 하나씩 명령들을 수행합니다
  -각 스레드마다 call stack이 존재(call stack: 실행 중인 서브루틴을 저장하는 자료 구조)하며, 나머지 Code, Data, Heap 영역은 스레드 끼리 공유합니다. 반면에 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없습니다.
  -스레드는 다른 스레드와 독립적으로 동작합니다. 독립적으로 동작하기 때문에 두 개 이상의 스레드가 동작되는 경우, 두 개 이상의 스레드의 실행 및 종료순서는 예측할 수 없습니다.

• 싱글스레드
  프로세스가 단일 스레드로 동작하는 방식으로 일련의 처리를 단일 스레드만으로 직렬 처리하는 프로그래밍 방법
  

• 멀티 스레드
  하나의 프로세스 내에서 둘 이상의 스레드가 동시에 작업을 수행하는 것
  여러 개의 CPU를 사용하여 여러 프로세스를 동시에 수행하는 것을 의미
  

• 동시성과 병렬성의 차이
  동시에 돌릴 수 있는 스레드 수는 컴퓨터에 있는 코어 개수로 제한됩니다. 운영체제(또는 가상 머신)는 각 스레드를 시간에 따라 분할하여, 여러 스레드가 일정 시간마다 돌아가면서 실행되도록 합니다. 이런 방식을 시분할이라고 합니다.
  -Concurrency(동시성, 병행성): 여러 개의 스레드가 시분할 방식으로 동시에 수행되는 것처럼 착각을 불러일으킴
  -Parallelism(병렬성): 멀티 코어 환경에서 여러 개의 스레드가 실제로 동시에 수행됨

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• 가비지 컬렉션
  가비지 컬렉션은 프로그램에서 더 이상 사용하지 않는 메모리를 자동으로 정리하는 것
  고수준 언어인 JS에 내장되어있다.

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• 문자열

유니코드란?
유니코드(Unicode)는 유니코드 협회(Unicode Consortium)가 제정하는 전 세계의 모든 문자를 컴퓨터에서 일관되게 표현하고 다룰 수 있도록 설계된 산업 표준
이 표준에는 ISO 10646 문자 집합, 문자 인코딩, 문자 정보 데이터베이스, 문자를 다루기 위한 알고리즘 등을 포함
유니코드가 탄생하기 이전에는, 같은 한글이 적힌 텍스트 파일이라도 표현하는 방법이 제각각
(인코딩이란 어떤 문자나 기호를 컴퓨터가 이용할 수 있는 신호로 만드는 것)'

• ASCII 문자
  영문 알파벳을 사용하는 대표적인 문자 인코딩으로 7 비트로 모든 영어 알파벳을 표현
  52개의 영문 알파벳 대소문자와, 10개의 숫자, 32개의 특수 문자, 그리고 하나의 공백 문자를 포함

• UTF-8과 UTF-16은 인코딩 방식의 차이
  UTF-8은 유니코드 한 문자를 나타내기 위해 1 byte(= 8 bits)에서 4 bytes까지 사용

• UTF-8 특징

1. 가변 길이 인코딩
2. 바이트 순서가 고정됨

• UTF-16 특징
  코드 그대로 바이트로 표현가능, 바이트 순서가 다양함

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• 그래픽
  비트맵(Bitmap)과 벡터(Vector)는 디지털 이미지의 종류입니다. 디지털 이미지, 또는 이미지라고 불리는 용어는 디지털 카메라를 이용하여 현실세계의 사물을 촬영하거나 스캐너를 이용하여 사진이나 그림을 디지털 형태로 받아들인 것을 가리킵니다. 서로 상반된 방식으로 이미지를 표현하기 때문에 비트맵(Bitmap)과 벡터(Vector)는 큰 차이점이 있습니다

• 비트맵
  비트맵(Bitmap)은 웹 상에서 디지털 이미지를 저장하는 데에 가장 많이 쓰이는 이미지 파일 포맷 형식
  이런 비트맵은 사각의 픽셀 형태로 모여 있기 때문에 확대를 하면 ‘계단현상’ 또는 ‘깨짐 현상’이 발생하며, 경계가 뚜렷하지 않다는 특징이 있습니다. 이런 식으로 픽셀 단위로 이미지를 표현하는 방식은 컴퓨터에게 부담을 덜 주는 구조로 되어 있습니다. 또한 픽셀 하나 당 모두 색상 값을 가지고 있습니다. 따라서 이미지의 사이즈가 커질수록 용량 또한 무거워진다는 특징이 있습니다.'

• 벡터
  벡터(Vector)는 비트맵과는 완전히 다른 방식으로 이미지를 표현합니다. 비트맵이 격자형의 픽셀 단위로 이미지를 구성한다면 벡터는 이미지를 수학적인 공식으로 표현을 합니다.
  점과 점을 연결해 선을 표현하고 선과 선을 연결해 면을 표현하는 식의 수학적 원리로 그림을 그리기 때문에 비트맵과는 달리 아무리 확대를 해도 ‘계단현상’ 또는 ‘깨짐 현상’이 발생하지 않습니다. 그러나 그렇기 때문에 벡터 방식으로 이미지를 표현하는 것은 비트맵에 비해 컴퓨터에게 부담을 가하는 방식이므로 주로 도형, 글자 등을 그리는 작업에 사용됩니다. 또한 수학적인 연산으로 만들어진 이미지이기 때문에 사이즈를 키워도 용량에는 변화가 없다는 특징 또한 있습니다.