컴퓨터 공학 기초 _ 컴퓨터의 구조

컴퓨터의 기본 구조

• 입력장치
  컴퓨터가 처리할 수 있는 형태로 데이터와 명령을 받아들이는 물리적인 장치.
  기본적으로 키보드, 마우스, 스캐너, 타블랫, 조이콘 등등 컴퓨터와 연결하여 무언가를 입력할 수 있는 장치를 말함.

• 출력장치
  처리한 데이터를 사람이 이해할 수 있는 형태로 출력하는 물리적인 장치.
  -> 모니터 : 컴퓨터에서 나오는 글자, 그림 등의 결과를 화면에 보여주는 장치
  -> 프린터 : 전자 장비에 저장되어 있는 문서를 종이 등에 인쇄하는 장치

• 중앙처리장치
  중앙처리장치, CPU는 크게 산술/논리 연산 장치(ALU), 제어장치, 레지스터로 이루어짐.
  -> 산술/논리 연산 장치 : 덧셈을 수행하는 것
  -> 제어 장치 : 프로그램에 따라 명령과 제어 신호를 생성하여 각종 장치의 동작을 제어
  -> 레지스터 : CPU의 내부 메모리로서, CPU에서 사용하는 데이터를 일시적으로 저장하는 장소

• 저장장치
  -> 주 기억 장치
  데이터나 프로그램을 보관하기 위한 일차 기억 장치, 레지스터의 용량이 작기 때문에 주로 정보를 저장해두었다가 필요할 때 읽어들이는 저장소로 이용됨. 종류로는 RAM, ROM
  -> 보조 기억 장치
  주 기억 장치를 보조하기 위한 기억 장치, 주 기억 장치에 비해 기억된 내용을 읽는 속도는 느리지만 대용량의 기억이 가능하며 현재 사용하지 않는 프로그램은 보조 기억 장치에 저장함, 종류로는 자기 디스크(플로피 디스크, 하드 디스크), 광 디스크(CD, DVD), 플래쉬 메모리(USB, SSD)

CPU

CPU의 구조

CPU는 크게 산술/논리 연산 장치(ALU), 제어 장치, 레지스터로 구성되어 있다고 위에서 얘기한 바가 있다.이 요소들에 대해서 좀 더 자세히 알아보자.

• 산술/논리 연산 장치
  -> 산술적인 연산과 논리적인 연산을 담당하는 장치
  -> 가산기, 보수기, 누산기, 기억 레지스터, 데이터 레지스터 등으로 구성됨
  -> 레지스터에 저장된 데이터를 이용하여 덧셈, 곱셈과 같은 산술 연산을 수행
  -> 종류로는 부동소숫연산장치, 정수연산장치, 논리연산장치
  
  

• 제어 장치
  -> CPU가 자신 및 주변 기기들을 컨트롤하는 장치
  -> 프로그램 계수기 (프로그램의 수행 순서를 제어), 명령 레지스터 (현재 수행 중인 명령어의 내용을 임시 기억), 명령 해독기 (명령 레지스터에 수록된 명령을 해독하여 수행될 장치에 제어 신호를 보냄) 로 이루어짐
  
  
• 레지스터
  -> CPU 내부에 있는 기억 장치
  -> 범용 레지스터 (산술 연산 논리장치에 의해 사용됨), 전용 레지스터 (PC 등 특수 목적에 사용되는 전용 레지스터) 로 구분됨.
  -> 종류로는 IR (현재 수행 중인 명령어 부호 저장), PC (명령이 저장된 메모리 주소를 가리킴), AC (산술 및 논리 연산의 결과를 임시로 기억) 이 있다.

CPU의 기능

CPU는 모든 명령어들을 인출, 해독하며 기억장치로부터 읽어온다. 그리고 명령어에 따라 필요할 때 데이터 인출, 처리 및 쓰기를 수행한다. 그래서 CPU를 이해하기 위해서는 명령어와 명령어 수행 과정에 대해서 제대로 이해하는 것이 중요하다.

• 명령어
  명령어는 시스템이 특정 동작을 수행시키는 작은 단위를 말한다.
  -> 동작 코드 : 각 명령어의 실행 동작을 구분하여 표현
  -> 오퍼랜드 : 명령어의 실행에 필요한 자료나 실제 자료의 저장 위치를 의미

• 명령어 수행 과정

  -> FI (읽기) : 메모리에서 명령을 가져온다.
  -> DI (해석) : 명령을 해석한다.
  -> EI (실행) : 명령을 수행한다.
  -> WB (수행) : 수행한 결과를 기록한다.

• 명령어 처리 방식
  명령어 처리 방식에는 RISC와 CISC가 있다.

  CISC (Complex Instruction Set Computer)
  -> 하나의 기능에 해당하는 하나의 명령이 있는 개념, 하나의 사이클로 명령어를 처리함.
  -> 메모리 Load / Store 명령만 처리하는 방식이며, 파이프라이닝, 슈퍼스칼라 사용이 가능함.
  -> 복잡한 컴파일러 구조를 가지고 있음.

  RISC (Reduced Instruction Set Computer)
  -> 컴퓨터 내부적으로 사용하는 명령어 세트를 단순화 시켜 처리하는 형태, 여러 사이클로 명령어 처리
  -> 많은 명령어가 메모리를 참조하는 처리 방식, 파이프라이닝의 사용이 어려움.
  -> 복잡한 마이크로 프로그램 구조를 가지고 있음.

  ---

  Memory

  메모리 분류별 특성

  메모리는 기억소자, 즉 반도체를 의미하며 반도체의 특징을 이용해 임시적 내용들을 기억하게 만드는 장치이다.

• 이런 기억 장소의 개념을 확장해보면 저장 장소라는 개념의 보조 기억 장치와도 비교해볼 수 있다.

  >  * 휘발성 : 메모리는 시스템이 꺼지면 값이 지워지는 반면, 보조 기억 장치는 시스템이 꺼져도 기억하고 있는 값이 휘발되지 않는다.
  * 저장/읽기 속도 : 메모리는 보조 기억 장치에 비해 저장/읽기 속도가 현격히 빠르다.
  * 저장 용량 : 보조 기억 장치는 메모리에 비해 저장 용량이 현격히 많다.

  메모리 성능

  메모리의 속도는 메모리가 CPU와 데이터를 주고 받는 시간을 말한다. 이를 액세스라고 부르며, 단위는 ns (10억분의 1초)가 기준이 된다. 메모리의 성능은 속도가 얼마나 빠른지에 따라 판단된다.

  • 리프레시 시간
    일정 시간마다 재충전을 해주어야 하는 기간, 이는 메모리에서 한번 읽고 나서 다시 읽을 수 있는 사이 시간을 말함.

  • 메모리 액세스 시간
    데이터를 읽어오라는 명령을 받고 데이터를 읽기 시작 하기까지의 시간, CPU에서 명령어를 처리하기 위해 명령어가 갖는 주소를 보내고 CPU가 그 주소에 해당하는 값을 가져 오기까지 걸리는 시간.

  • 사이클 시간 (리프레시 시간 + 메모리 액세스 시간)
    메모리 작업의 완료와 동시에 대기 시간을 내놓은 후 다음 신호를 받을 준비가 되었다는 신호를 주기까지의 시간을 의미. 즉, 리프레시 시간과 메모리 액세스 시간을 더한 것.

  메모리의 종류

• 주기억 장치

  • RAM (Random Access Memory)
    RAM의 크기는 프로그램의 수행 속도에 영향을 줌, CPU에서 직접 접근이 가능한 유일한 저장 장치.
    종류로는 SRAM (리프레시가 필요없고 전력 소모가 적으나 비쌈)과 DRAM (리프레시가 필요하고 SRAM보다 저가이며 많이 사용됨)이 있음.
    • ROW (Read Only Memory)
      대부분 읽을 수만 있는 장치로 구성되어 있으며 전원이 끊겨도 내용이 보존됨.

• 보조 기억 장치

  • 자기 디스크
    원판 표면의 철 입자의 방향으로 0과 1을 표현, 디스크 드라이브는 자기 디스크로부터 데이터를 읽는 주변 장치를 의미함.
    종류로는 플로피 디스크와 하드 디스크가 존재.

  • 광 디스크
    빛의 반사를 이용해 자료를 읽어내는 저장 매체.
    CD 부터 시작해 DVD, 블루레이 디스크까지 존재, 차세대 디스크로는 테라 디스크나 HVD 등이 있음.

  • 플래시 메모리
    전자적으로 데이터를 지우고 쓸 수 있는 비휘발성 메모리로, 충격에 강하여 휴대용 기기에 널리 쓰임.
    종류에는 USB, SSD가 존재함.

  캐시 메모리

  CPU 내 또는 외에 존재하는 메모리로, 메인 메모리와 CPU 간의 데이터 속도 향상을 위한 중간 버퍼 역할.
  빠른 CPU의 처리 속도와 상대적으로 느린 메모리에서의 속도 차이를 극복하는 완충 역할을 해줌.

  1. CPU는 빠르게 일을 처리하는데 메인 메모리가 데이터를 가져오고 가져가는 게 느려서
  2. 캐시 메모리가 중간에 미리 CPU에 전달될 데이터를 들고 있는 상태