🍿폰 노이만 구조와 하버드 구조: 현대 컴퓨터 구조로의 개혁

⭐ 디지털 컴퓨터의 초창기 구조

과연 디지털 방식의 컴퓨터는 첫 등장부터 지금의 컴퓨터와 작동 방식이 동일했을까? 디지털 컴퓨터의 초창기 구조를 알아보도록 하자. 과거의 디지털 컴퓨터 구조를 파악해 현재와 비교하면 현재의 컴퓨터 구조의 의미를 이해하기 수월할 것이다.

컴퓨터의 역사에서 디지털 방식의 컴퓨터가 등장하기 시작한 것은 2차 세계대전 직전과 기간 중이다. 이 때 전자회로가 기계식 연산장치를 대체하고 디지털 회로가 아날로그 회로를 대체하는 변화가 있었다. 다만 어떤 컴퓨터가 최초의 디지털 컴퓨터인지 정확한 명칭으로 특정할 수는 없다. 분명한 건 컴퓨터가 이 기간동안 디지털 방식으로 바뀌었다는 것이다. 그럼 초창기 디지털 컴퓨터 중 정확한 명칭으로 특정된 컴퓨터는 무엇이 있을까?

바로 그 유명한 에니악(ENIAC)이 있다. 에니악과 같은 초창기 디지털 컴퓨터들은 자료만을 주기억장치에 저장할 수 있고 프로그램은 스위치나 배선을 조정하여 만든 하드웨어(배선판)에 의해 구현하는 외부 프로그램 방식이었다. 따라서 에니악은 작업(프로그램)을 바꾸려면 다른 배선판으로 교체해야만 했다. 즉 프로그램마다 해당 프로그램을 구현시켜주는 하드웨어가 물리적으로 존재했다는 말이다.

⭐ 폰 노이만 구조

폰 노이만은 초창기 디지털 컴퓨터의 외부 프로그램 방식과는 전혀 다른 저장 프로그램 방식의 디지털 컴퓨터를 고안해냈다. 폰 노이만의 저장 프로그램 방식의 디지털 컴퓨터는 컴퓨터 회로 배선은 정적인 상태를 유지하고 주기억 장치에 자료 뿐만 아니라 프로그램까지 2진 데이터 형식으로 저장하는 방식이다.

저장 프로그램 방식에서는 프로그램이 해당 프로그램을 위해 만들어진 하드웨어(배선판)에 의해 구현되는 것이 아니라 해당 프로그램을 수행하는 명령어들의 집합이 2진 데이터 형식으로 주기억장치에 저장되고 이 명령어들이 컴퓨터 회로 동작을 조정하여 구현된다. 프로그램 저장 방식에서는 프로그램이 물리적인 하드웨어로 존재하지도 않으며 프로그램 교체를 위해 배선판을 교체할일도 없다. 프로그램 저장 방식에서 프로그램 교체는 실행시키는 2진 데이터, 즉 명령어 집합의 교체를 의미한다.

폰 노이만의 프로그램 저장 방식에 의해 소프트웨어라는 개념이 등장했다. 폰 노이만의 프로그램 저장 방식이 탄생하기 전 디지털 컴퓨터에서 프로그램은 물리적인 하드웨어의 개념이었지만 폰 노이만의 프로그램 저장 방식이 디지털 컴퓨터에 고안되면서 프로그램은 더 이상 물리적인 하드웨어가 아닌 2진 디지털 데이터 형태로 존재하게 되어 현재 프로그램은 소프트웨어의 개념으로 인식된다. 소프트웨어는 곧 명령어 집합!

또한 폰 노이만의 프로그램 저장 방식이 갖는 의미 중 가장 중요한 것은 중앙 처리 장치의 등장이다. 폰 노이만 프로그램 저장 방식의 디지털 컴퓨터는 주기억장치에 2진 데이터 형식으로 저장된 명령어들이 컴퓨터 회로 동작을 조정하여 프로그램을 구현하기 위해서 필연적으로 이 명령어들과 호환되는 회로 설계의 장치가 필요하다. 그것이 바로 중앙처리장치, 즉 cpu이다. 폰 노이만의 프로그램 저장 방식은 cpu라는 장치의 등장을 야기했다.

🙂 폰 노이만 프로그램 저장 방식이 갖는 두 가지 의의!!
🙂 소프트웨어 개념의 도입과 CPU의 등장 야기

⭐ 명령어 형식

프로그램은 명령어 집합이라고 했는데 그럼 2진 데이터 형식으로 저장되는 명령어에 대해 간단하게 알아보자. 명령어는 8, 16, 32, 64 비트 등으로 구성될 수 있다. 명령어의 크기가 8의 배수들인 것은 메모리소자 하나의 크기가 8비트이기 때문이다. 만일 명령어의 크기가 16비트라면 그 중에서 4비트는 연산 종류(opcode, 연산코드)를 나타내고 나머지 12비트는 피연산자의 메모리 주소를 나타낼 수 있다. 또한 명령어에서 피연산자 수는 없거나 2개 또는 3개인 명령어도 있다. 여기서 피연산자는 메모리 주소 또는 레지스터가 될 수 있다.

⭐ 하버드 구조

• 폰 노이만 구조의 치명적인 단점

1. 폰 노이만 구조는 주기억장치에 자료뿐만 아니라 프로그램, 즉 명령어까지 저장하는 방식인데 명령어가 저장되는 프로그램 메모리와 자료가 저장되는 데이터 메모리가 구분되어 있지 않음(내장 메모리 순차 처리 방식)으로 인해 자료가 전달되는 전송선(버스)와 명령어가 전달되는 전송선(버스)가 구분되어있지 않고 같은 전송선(버스)를 이용하는 구조이기 때문에 CPU가 자료와 명령어에 동시 접근할 수 없는 단점이 있다.이를 해결하기 위해 하버드 구조가 도입되었다.

2. CPU의 데이터 처리 속도에 비해 기억장치에서 CPU까지 데이터가 전달되는 속도가 현저히 떨어져 생기는 병목 현상. 이를 해결하기 위해 메모리 계층 구조를 도입하였다.

보이는 바와 같이 명령어가 저장되는 메모리(Instruction memory)와 자료가 저장되는 메모리(Data memory)가 구분되어있다. 하버드 구조에서 CPU는 명령어와 자료에 동시 접근 가능하여 현재 명령의 처리가 끝남과 동시에 바로 다음 명령을 읽어들일 수 있어서 더 빠른 속도의 작업이 가능하다. 하지만 하버드 구조는 더 많은 전기 회로와 두 개의 버스, 두 개의 메모리를 가짐으로 인해 코어에서 공간 차지가 많다는 단점이 있다.

현대 컴퓨터는 cpu 내부의 캐시를 명령 캐시와 데이터 캐시로 구분하고 cpu 외부의 메모리에서는 명령어를 저장하는 메모리와 자료를 저장하는 메모리를 구분하지 않는 방식으로, 하버드 구조와 폰 노이만 구조가 둘 다 적용된 컴퓨터 구조를 갖는다.