[Computer Science] 컴퓨터 구조

허북이_·2022년 10월 4일

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컴퓨터 구조

컴퓨터는 소프트웨어와 하드웨어가 결합된 형태이며, 하드웨어에는 전자 회로 및 장치로 구성되어있는 입출력 장치, 중앙처리장치, 기억장치 등이 있습니다.

입출력 장치

입력 장치는 컴퓨터가 이해 할 수 있도록 명령하는 장치입니다. 가장 기본적으로 마우스와 키보드가 있습니다.
그리고 출력 장치는 사용자가 이해 할 수 있도록 정보를 출력하는 장치입니다. 모니터, 프린터 등이 있습니다.

중앙처리장치 (CPU)

CPU img

CPU는 컴퓨터 시스템을 통제하고, 프로그램의 연산을 실행·처리하는 가장 핵심적인 컴퓨터의 제어 장치, 혹은 그 기능을 담은 칩(Chip)입니다. CPU는 컴퓨터 부품과 상호작용하면서 컴퓨터 시스템 전체를 제어하기 때문에 컴퓨터의 두뇌에 해당한다고 할 수 있습니다.

CPU의 출현

우리가 최초의 컴퓨터라고 알고있는 ENIAC같은 컴퓨터는 다른 종류의 작업(프로그램)을 하기 위해서는 전선의 재배치가 필수적이었습니다.
CPU라는 용어가 소프트웨어를 실행하기 위한 장치로 불리게 된 이래로, CPU 장치의 출현은 프로그램 내장 방식 컴퓨터의 출현 덕분이었습니다.

ENIAC이 만들어지기 전, 1945년 6월 무렵 명실상부 천재중의 천재 폰 노이만이 발표한 논문에 등장한 EDVAC은 일정한 수의 다양한 프로그램을 손쉽게 수행하기 위해 고안되었습니다. 단순히 메모리의 저장된 데이터를 변경함으로 다른 프로그램을 동작 시킬 수 있었던 이 디자인은 ENIAC의 전선을 재배치하는 과정, 물리적인 선의 연결로 인한 느린 동작 이 한계를 극복하는 많은 도움을 주었습니다.

이렇게 시간이 흐름에 따라 프로그램 내장 방식 컴퓨터로 시작하여 트랜지스터가 발명되어 진공관을 대체한 집적회로 CPU가 등장하게 되고, 1970년대에 페드리코 페긴이 발명한 우리가 지금 사용하는 마이크로프로세서가 등장하게 되었습니다.

CPU의 구성

CPU Logic img

CPU의 기본 구성으로 크게 산술/논리 연산 장치(ALU), 제어 장치와 프로세서 레지스터가 있습니다. 각 장치의 역할은 다음과 같습니다.

산술/논리 연산 장치(ALU)
덧셈, 뺄셈과 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱, 논리합 같은 논리연산을 계산하는 장치입니다.
프로세서 레지스터
컴퓨터가 처리할 명령어를 저장하는 CPU 내부의 기억장치입니다. ALU에 의해 사용되는 범용 레지스터와 특수 목적에 사용되는 전용 레지스터로 구분할 수 있습니다. 레지스터의 종류는 다음과 같습니다.
- IR (Instruction Regist): 현재 수행 중인 명령어의 부호를 저장하는 레지스터
- PC (Program Counter): 명령이 저장된 메모리의 주소를 가르키는 레지스터
- AC (Accumulator): 산술 및 논리 연산의 결과를 임시로 기억하는 레지스터
제어 장치
입출력 장치 간 통신 및 조율을 제어합니다. 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 시퀸스(순서)를 결정합니다.
제어 장치 구현의 방식은 하드웨어 방식과 마이크로 프로그램 방식이 있습니다. 하드웨어 방식은 구현 비용이 고가이지만 고속 처리가 가능하다는 장점을 지니고 있어 RISC 시스템에 적용이 되고, 마이크로 프로그램 방식은 비용이 저렴하며 속도도 낮아 CISC 시스템에 적용됩니다.

명령어 처리 방식

바로 위에서 언급한 RISC 시스템곽, CISC 시스템이라는 명령어 처리 방식이 존재합니다. 이 둘의 차이점은 다음과 같습니다

CSIC

여러 사이클로 명령어를 처리합니다.
많은 명령어가 메모리를 참조하는 처리 방식입니다.
파이프라이닝의 사용이 어렵습니다.
복잡한 마이크로 프로그램 구조를 갖고 있습니다.

RISC

하나의 사이클로 명령어를 처리합니다.
메모리 Load/ Store 명령만 처리하는 방식입니다.
파이프라이닝/ 슈퍼스칼라의 사용이 가능합니다.
복잡한 컴파일러 구조를 갖고 있습니다.

저장 장치

데이터나 프로그램을 보관하기 위한 주 기억 장치(Memory), 주 기억 장치를 보조하는 보조 기억 장치가 있습니다.
주 기억 장치는 데이터를 저장해두었다가 필요할 때 읽어들이는 용도로 사용됩니다. 이런 주 기억 장치의 종류로는 RAM과 ROM이 있습니다.

주 기억 장치

RAM (Random-Access Memory, Rapid Access Memory)

RAM img
RAM은 임의의 영역에 접근하여 읽고 쓰기가 가능한 주 기억 장치입니다. 이런 특성으로 인해 RAM을 '읽고 쓰기가 가능한 메모리'라는 뜻으로 오해하는 경우가 많은데, 어느 위치에 저장되어있는 데이터든지 접근하는 시간이 동일 하기 때문에 명칭으로 Random-Access Meomory가 정확합니다. 반도체 회로로 구성된 휘발성 메모리이므로 전원 공급이 끊어지면 RAM에 저장된 데이터는 휘발되어 사라집니다.