🎯 폰노이만 구조 VS 하버드 구조

폰노이만 구조

• 존 폰노이만이 제시한 컴퓨터 구조로 프로그램 내장 방식이라고도 불린다.
• 현대 컴퓨터 구조의 기반이 된 컴퓨터 구조로, CPU,메모리,프로그램 구조를 확립시켰다.
  

• 산술 논리 장치와 프로세서 레지스터를 포함하는 처리 장치
• 명령 레지스터와 프로그램 카운터를 포함하는 컨트롤 유닛
• 데이터와 명령어를 저장하는 메모리
• 외부 대용량 스토리지
• 입출력 매커니즘

• 장점
  • 컴퓨터에 다른 작업을 시키려고 할 때 전처럼 하드웨어를 재배치할 필요 없이 소프트웨어만 교체하면 된다.
    (범용성 향상)
• 단점
  • 하나의 버스로 메모리에 접근하기 때문에 CPU가 명령어와 데이터에 동시에 접근할 수 없다.
    (파이프라이닝 시에 구조적 해저드 문제)
  • 메모리 값을 읽고 쓰는 구조이기 때문에 기억장치에 병목현상이 생길 수 밖에 없다.

하버드 구조

• 폰노이만 구조에서 파이프라이닝시 구조적 해저드 문제가 발생함에 따라 이를 해결하기 위한 컴퓨터 구조
• 메모리를 프로그램과 데이터를 저장할 영역을 분리해 별도의 버스를 사용하여 병렬처리를 지원한다.

• 장점

  • 프로그램의 명령어와 데이터를 동시에 접글할 수 있도록 지원함으로써 엑세스 속도를 개선 시켰다.

• 단점

• 더 많은 전기 회로를 필요로 한다.

현대에 주로 사용하는 구조

• 현대에는 CPU의 외부적으로는 폰 노이만 구조를, 내부적으로는 하버드 구조를 적용하여 속도를 향상시킨 구조를 주로 사용한다.

• 그러나 이것 또한 폰 노이만 구조를 기반으로 만들어진 것이기 때문에 병목현상만 어느 정도 해결할 뿐 메모리 속의 프로그램을 순차적으로 실행하는 기본적인 구조 자체는 변하지 않다.

• *결국 구조마다 장단점이 있고, 현재는 새로운 구조에 대해 개발 중에 있다고 한다.

🎯 컴퓨터 구조의 핵심

CPU

• CPU는 기억,해석,연산,제어라는 4대 주요 기능을 하는 컴퓨터의 가장 핵심적인 중앙 처리 장치이다.
  

  1. ALU(Arithmetic Logic Unit)
     각종 산술 연산과 논리 연산을 수행하는 회로들로 이루어진 하드웨어 모듈
  2. Control Unit
     컴퓨터의 제어를 담당하며 IODevice, Memory,ALU등의 동작을 제어한다.
  3. Register set
     내부에 위치한 기억 장치로 CPU에서 Memory로 이동하는 시간을 단축해 빠르게 데이터를 처리할 수 있게 해주는 장치이다.

  • 레지스터의 종류
    • PC : 다음 실행할 명령어 주소를 가리키는 레지스터
    • IR : InstructionRegister의 약자로 가장 최근에 인출한 명령어 보관 레지스터
    • 누산기 : Accumulator로 데이터를 일시 보관하는 레지스터
    • MAR : CPU가 메모리 참조하기 위해 보관하는 데이터 주소를 가진 레지스터 (Memory Address Resister)
    • MBR : CPU가 메모리로부터 읽거나 저장 할 데이터 자체를 보관하는 레지스터 (Memory Buffer Resister)

메모리

• 기억장치로서 컴퓨터에서 데이터를 일시적으로 또는 영구적으로 보존하는 장치를 말한다.
• 주 기억 장치(RAM, ROM) 와 보조 기억장치(HDD SSD)로 나눌 수 있다.
• 메모리는 주로 방에 문이 있는 비휘발성 메모리가 많다. 그러나 RAM 같은 경우에는 휘발성 메모리로 전원이 꺼지면 저장된 내용들은 모두 사라진다.

RAM

1. SRAM(Static RAM)

• CPU 안에 포함되어 캐시 메모리라고 하며, CPU와 DRAM의 속도 차이를 극복하기 위해 CPU와 DRAM 사이에 존재하는 고속 기억 장치이다.
• 캐시 메모리는 시간적, 공간적 지역성을 기반으로 가까운 미래에 접근될 확률이 높은 데이터를 미리 보관하는 것이다.
• 전기가 남아있는 한 재생을 하지 않아도 메모리가 날아가지 않는다.

2. DRAM(Dynamic RAM)

• 우리가 흔히 말하는 메인메모리를 뜻하며, SRAM보다 속도는 느리지만 집적도를 높이기 쉬워 메모리 용량이 크고 SRAM보다 상대적으로 저렴하다.
• 캐패시터로 이루어져있는 소자의 집합체로, 각각의 축전기가 담고 있는 전자의 수에 따라 전기신호를 1과 0으로 나타내는데, 축전기가 시간이 지나면 방전되기 때문에 일정 시간마다 재충전하여 데이터를 재생시켜야 한다.
• 메모리 자체에 지속적인 전기를 소모하고, 전기가 약해지면 순간적으로 데이터가 날아간다.

ROM

• 주기억 장치 중 하나이며 메인보드에 작은 부품으로, 내용을 읽을 수는 있어도 쓰기가 불가능한 메모리다.
• RAM과는 다르게 비휘발성 메모리이다.
• 공장에서 생산될 때 납땜되어 출하되기 때문에, 입출력을 처리하는 바이오스 등의 변경 가능성이 없는 소프트웨어를 기억시키는데 사용된다.

HDD

• 데이터를 영구적으로 저장하는 비 휘발성 대용량 기억장치이다.
• 물리적인 디스크를 고속으로 회전시켜 데이터를 저장하는 장치이다
• 디스크에 물리적으로 저장하기 때문에 충격에 약하며, 소음이 발생한다.

SSD

• 반도체를 이용하여 데이터를 저장하는 기억장치이다.
• HDD와 다르게 전기적으로 데이터를 저장하기 때문에 속도도 월등히 빠르고 소음도 발생하지 않는다.
• 가격은 좀 높지만, 전력 소모도 적고 소형화가 가능하여 최근에 많이 사용되고 있는 보조기억장치이다.

IO

• IO는 Input/Output의 약자로 컴퓨터에게 있어 인간의 오감과 같은 역할을 한다.
  • Input : 마우스, 키보드, 카메라 등
  • Output : 모니터, 스피커, 프린터 등
  • In/Out : 네트워크, 저장매체 등
• IO는 CPU, 메모리 등 요소간에 Bus를 통해서 연결된다.
  • 하지만 병목현상이 일어날 수 있는 문제점에 최근엔 고속 시리얼 통신을 이용하기도 한다.

Bus

• Bus는 시스템 내외부 모듈 사이에 데이터 전송을 위한 통신 링크 규약이다.
• 병렬 직렬 연결 모두 가능하다.
• 장점
  • 새로운 노드 추가가 용이하며, 표준 규격의 범용성과 낮은 연결 비용 등의 장점을 가지고 있다.
• 단점
  • 통신 병목 현상이 발생한다.