컴퓨터의 기본 구조

컴퓨터 구조

하드웨어

• 전자 회로 및 기계 장치로 되어 있음
• ex. 입출력 장치, 중앙처리장치(CPU), 기억장치 등

소프트웨어

하드웨어를 제어하며 작업을 수행하는 프로그램

컴퓨터의 기본 구성 요소

입력 장치

• 컴퓨터가 처리할 수 있는 형태로 데이터와 명령을 받아들이는 물리적인 장치
• ex. 마우스, 키보드 등

출력 장치

• 처리된 데이터를 사람이 이해할 수 있는 형태로 출력하는 물리적인 장치
• ex. 모니터, 프린터 등

중앙처리장치(CPU)

• 산술/논리 연산 장치(ALU): 덧셈 수행
• 제어 장치: 프로그램에 따라 명령과 제어 신호를 생성해서 각종 장치의 동작 제어
• 레지스터: CPU의 내부 메모리로, CPU에서 사용하는 데이터를 일시적으로 저장

저장 장치

주기억장치

• 데이터나 프로그램을 보관하기 위한 일차 기억 장치
• 프로그램 수행을 위해 필요한 정보에 비해 중앙처리장치 내에 구비되어 있는 레지스터의 용량이 너무 작기 때문에, 주 기억 장치에 정보를 저장해 두었다가 필요할 때 읽음
• ex. RAM, ROM

보조기억장치

• 주 기억 장치를 보조하는 기억 장치
• 주 기억 장치에 비해 정보를 읽는 속도는 느리지만 대용량의 정보를 저장할 수 있음
• 현재 사용하지 않는 프로그램을 저장
• ex.
  • 자기 디스크: 플로피 디스크, 하드 디스크
  • 광 디스크: CD, DVD
  • 플래쉬 메모리: USB, SSD

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CPU

폰 노이만 구조

• 중앙처리장치(CPU), 기억장치(주기억장치, 보조 기억 장치), 입출력장치로 구성
• 중앙처리장치(CPU)를 통해서 연산을 수행하게 되는 구조
• 중앙처리장치(CPU)는 각종 연산을 수행하고 기억장치에 기억되어 있는 명령어들을 수행하는 컴퓨터 시스템을 이루는 핵심 부품

CPU의 구조

레지스터(Register)

• 중앙처리장치(CPU) 내부에 있는 기억장치
• 종류
  • 범용 레지스터(General-Purpose Register)
    • 주로 산술 연산 논리장치에 의해 사용
  • 전용 레지스터(Dedicated-Purpose Register)
    • PC 등 특수 목적에 사용
• 구성
  • 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

산술/논리 연산 장치(Arithmetic Logic Unit, ALU)

• 산술적인 연산과 논리적인 연산을 담당하는 장치
• 가산기, 보수기, 누산기, 기억 레지스터, 데이터 레지스터 등으로 구성
• ALU는 레지스터에 저장된 데이터를 이용하여 덧셈, 곰셈 등과 같은 산술 연산을 수행
• 부동소숫연산장치(FPU)와 정수연산장치, 논리연산(AND, OR 등)장치 등이 있음

제어 장치(Control Unit, CU)

• CPU가 자신 및 주변기기들을 컨트롤하는 장치
• 구성
  • 프로그램 계수기(program counter)
    • 프로그램의 수행 순서를 제어
  • 명령 레지스터(instruction register)
    • 현재 수행중인 명령어의 내용을 임시 기억
  • 명령해독기(instruction decoder)
    • 명령 레지스터에 수록된 명령을 해독하여 수행될 장치에 제어신호를 보냄
• 구현 방식

Hardwired	Micro Program
- 제어신호가 Hardwired Circuit 에 의해서 생성되도록 하드웨어 구성 - 상태계수기와 PLA(Programmable Logic Array ) 회로로 구성	발생 가능한 제어 신호들의 조합을 미리 구성하여 ROM 에 저장했다가 필요시 신호를 발생시키는 Software 방식
고속 처리, 고가	하드웨어 방식에 비해 속도도 낮고 가격도 저렴
RISC 시스템에 적용	CISC 에 적용

CPU의 기능

• 명령어 인출 및 해독
  • 모든 명령어들에 대하여 공통적으로 수행하며 기억 장치로부터 명령어를 읽음
• 데이터 인출 및 처리, 쓰기
  • 명령어에 따라 필요할 때만 수행

명령어

시스템이 특정 동작을 수행시키는 작은 단위로 코드로 구성

• 구성 요소
  • 동작 코드(Op-code): 각 명령어의 실행 동작을 구분하여 표현
  • 오퍼랜드(Operand): 명령어의 실행에 필요한 자료나 실제 자료의 저장 위치를 의미
• 명령어 수행 과정
  • 읽기(Fetch Instruction, FI): 메모리에서 명령을 가져옴
  • 해석(Decode Instruction, DI): 명령을 해석함
  • 실행(Execute Instruction, EI): 명령을 수행함
  • 기록(Write Back, WB): 수행한 결과를 기록함

명령어 처리 방식

기준	RISC(Reduced Instruction Set Computer)	CISC(Complex Instruction Set Computer)
사이클의 개수	하나의 사이클로 명령어를 처리	여러 사이클로 명령어를 처리
명령의 개수	메모리 Load / Store 명령만 처리	많은 명령어가 메모리를 참조
파이프라이닝 사용	파이프라이닝, 슈퍼스칼라 사용 가능	파이프라이닝 사용 어려움
구조	복잡한 컴파일러 구조	복잡한 마이크로 프로그램 구조

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Memory

메모리 성능

• 속도가 빠를수록 좋은 성능을 가짐
• 엑세스: 메모리가 CPU와 데이터를 주고받는 시간으로 메모리 속도의 기준
  • 단위: ns(nano-second) – 10억분의 1초
• 기준
  • 리프레시 시간
    • 정보를 기억하기 위해 메모리를 재충전하는 일정 기간
    • 메모리에서 한번 읽고 나서 다시 읽을 수 있는 사이 시간
  • 메모리 액세스 시간
    • 데이터를 읽어오라는 명령을 받고 데이터를 읽기 시작하기까지의 시간
    • CPU에서 명령어를 처리할 때 명령어가 갖는 주소를 보내고 CPU에 그 주소에 해당하는 값을 가져오기까지 걸리는 시간
  • 사이클 시간(리프레시 시간 + 메모리 액세스 시간)
    • 메모리 작업 완료와 동시에 대기 신호를 내놓은 후 다음 신호를 받을 준비가 되었다는 신호를 주기까지의 시간

메모리 종류

메모리 분류별 특징

주기억장치

• RAM(Random Access Memory): a.k.a 컴퓨터 메모리, DRAM
  • 컴퓨터의 전원이 끊어지면 내용이 휘발되어 보조 저장 장치가 반드시 필요함
  • RAM의 크기는 프로그램의 수행 속도에 영향을 줌
  • CPU에서 직접 접근이 가능한 유일한 저장 장치
  • 종류
    • SRAM: 리프레쉬가 필요 없고 전력 소모가 적으나 고가
    • DRAM: 리프레쉬가 필요하고 SRAM보다 저가이며 많이 사용되는 편
• ROM(Read Only Memory)
  • 대부분 읽을 수만 있는 장치로 구성되어 있으며 전원이 끊겨도 내용이 보존됨

보조기억장치

• 자기 디스크
  • 원판 표면의 철 입자의 방향(N/S극)으로 0과 1을 표현
  • 자기 디스크로부터 데이터를 읽는 주변 장치인 디스크 드라이브 사용
  • ex. 플로피 디스크(FDD), 하드 디스크(HDD)
• 광 디스크(optical disc, OD)
  • 빛의 반사를 이용하여 자료를 읽어내는 저장 매체
  • 1세대 CD, 2세대 DVD, 3세대 블루레이 디스크, 차세대 디스크 테라 디스크나 HVD등
• 플래시 메모리
  • 전자적으로 데이터를 지우고 쓸 수 있는 비휘발성 메모리로 충격에 강하여 휴대용 기기에 널리 사용
  • ex. USB, SSD
    • SSD는 HDD와 달리 디스크, 헤더와 같은 기계적 장치는 빠졌지만 저전력, 저소음, 저중량

캐시 메모리(Cache Memory), SRAM

• CPU 내 또는 외에 존재하는 메모리로, 메인 메모리와 CPU 간의 데이터 속도 향상을 위한 중간 버퍼 역할
• 빠른 CPU 의 처리속도와 상대적으로 느린 메인 메모리에서의 속도의 차이를 극복하는 완충 역할
• 성능 결정 요인
  • 블록사이즈나 워드 사이즈가 캐시의 성능에 영향
    • 캐시 메모리는 메인 메모리의 일정 블록 사이즈의 데이터를 담아 두었다가 CPU에 워드 사이즈만큼 데이터를 전송
    • 블록사이즈나 워드 사이즈가 크다면 그만큼 Cache의 Hit Ratio율이 높아지기 때문

Hit Ratio(Hit Ratio)
원하는 데이터가 Cache에 있을 확률

• Cache Hit: CPU가 필요한 데이터가 Cache Memory 내에 들어와 있는 경우
• Cache Miss: 접근하고자 하는 데이터가 없을 경우

요인	내용
Cache 크기	Cache Memory의 Size의 크기가 크면 Hit Ratio율과 반비례 관계
인출 방식 (Fetch Algorithm)	요구 인출(Demand Fetch): 필요 시 요구하여 인출하는 방식 선 인출(Pre-Fetch): 예상되는 데이터를 미리 인출하는 방식
쓰기 정책 (Write Policy)	Write-Through: 주기억 장치와 캐시에 동시에 쓰는 방식으로, Cache와 메모리의 내용이 항상 일치하며 구성 방법이 단순 Write-Back: 데이터 변경만 캐시에 기록하는 방식으로, 구성방법이 복잡함
교체(Replace) 알고리즘	Cache Miss 발생시 기존 메모리와 교체하는 방식. FIFO, LRU, LFU, Random, Optimal Belady’s MIN(향후 가장 참조 되지 않을 블록을 교체) 등이 있음
사상(Mapping) 기법	주기억장치의 블록을 적재할 캐시 내의 위치를 지정하는 방법 직접 매핑(direct mapping), 어소시에이티브 매핑(associative mapping), 셋 어소시에이티브 매핑(set associative mapping) 등이 있다.