✏️ 컴퓨터 구조
컴퓨터는 단순하게 말하자면 하드웨어 와 소프트웨어 가 합쳐진 형태이다.
하드웨어 : 전자 회로 및 기계 장치로 되어 있어 입출력 장치, 중앙처리장치(CPU), 기억장치 등으로 구성되어 있다.
소프트웨어 : 하드웨어 위에서 하드웨어를 제어하며 작업을 수행하는 프로그램이다.
컴퓨터의 기본 구성 요소
1) 입력 장치
입력 장치는 컴퓨터가 처리할 수 있는 형태로 데이터와 명령을 받아들이는 물리적인 장치이다.
입력장치에는 다양한 물리적인 장치가 존재하고 있다.
기본적으로 키보드와 마우스 같이 컴퓨터에 연결하여 무언가를 입력할 수 있는 장치를 입력 장치라고 볼 수 있다.
2) 출력 장치
출력 장치는 처리된 데이터를 사람이 이해할 수 있는 형태로 출력하는 물리적인 장치를 의미한다.
가장 대표적인 출력 장치는 모니터로, 컴퓨터에서 나오는 글자, 그림 등의 결과를 화면에 보여주는 장치이다.
3) 중앙처리장치(CPU)
중앙처리장치(CPU) 의 내부 구성은 크게 산술/논리 연산 장치(ALU)와 제어 장치, 레지스터로 구성되어 있다.
산술은 덧셈을 수행하는 것이고, 제어 장치는 프로그램에 따라 명령과 제어 신호를 생성하여 각종 장치의 동작을 제어하는 것이다.
레지스터는 CPU의 내부 메모리로서 CPU에서 사용하는 데이터를 일시적으로 저장하는 장소이다.
4) 저장 장치
저장 장치는 데이터나 프로그램을 보관하기 위한 일차 기억 장치인 주 기억 장치 와 주 기억 장치를 보조하기 위한 디스크와 씨디 같은 보조 기억 장치가 존재한다.
프로그램 수행을 위해 필요한 정보에 비해 중앙처리장치 내에 구비되어 있는 레지스터의 용량이 너무 작기 때문에, 주 기억 장치는 주로 정보를 저장해두었다가 필요할 때 읽어들이는 저장소로 사용된다.
주 기억 장치의 종류로는 RAM과 ROM이 존재한다.
보조 기억 장치는 그런 주 기억 장치를 보조하기 때문에 주 기억 장치에 비해 기억된 내용을 읽는 속도는 느리지만 대용량의 기억이 가능하며 현재 사용하지 않는 프로그램은 보조 기억 장치에 저장이 된다.
보조 기억 장치의 종류로는 플로피 디스크와 하드 디스크 같은 자기 디스크가 존재하고, CD와 DVD 같은 광 디스크, 그리고 USB와 SSD 같은 플래쉬 메모리가 존재한다.
✏️ CPU와 Memory
📍 CPU
컴퓨터 시스템을 이루는 구성요소로 CPU, 주기억장치인 메모리 그리고 보조 기억 장치인 디스크와 CD 등이 있다.
여기에 입출력장치 까지 추가된다면 컴퓨터를 이루는 기본 골격이라고 할 수 있는데 이것을 제안한 사람이 폰 노이만 이다.
폰 노이만 구조는 중앙 처리 장치(CPU)라는 것이 있고 이 중앙 처리 장치를 통해서 연산을 수행하게 되는 구조이며 이 CPU(중앙 처리 장치)는 각종 연산을 수행하고 기억 장치에 기억되어 있는 명령어들을 수행하는 컴퓨터 시스템을 이루는 핵심 부품이다.
CPU는 컴퓨터 시스템의 가장 중요한 요소이다.
CPU의 구조
CPU의 내부 구성은 크게 산술/논리 연산 장치(ALU), 제어 장치와 레지스터로 구성되어 있다.
산술은 덧셈을 수행하는 것이고, 제어 장치는 시그널을 통해서 데이터 흐름을 통제하는 것이며 레지스터는 CPU 내부의 메모리이다.
산술/논리 연산 장치(Arithmetic Logic Unit, ALU)
- 산술/논리 연산 장치는 산술적인 연산과 논리적인 연산을 담당하는 장치로 가산기, 보수기, 누산기, 기억 레지스터, 데이터 레지스터 등으로 구성된다.
- 캐시나 메모리로부터 읽어온 데이터는 레지스터(Register)라는 CPU 전용의 기억장소에 저장되며, ALU는 레지스터에 저장된 데이터를 이용하여 덧셈, 곱셈 등과 같은 산술 연산을 수행한다.
- 부동소숫연산장치(FPU)와 정수연산장치, 논리연산(AND, OR 등) 장치 등이 있다.
레지스터(Register)
- 레지스터(Register)는 중앙처리장치(CPU) 내부에 있는 기억장치이다.
- 주로 산술 연산 논리장치에 의해 사용되는 범용 레지스터(General-Purpose Register)와 PC 등 특수 목적에 사용되는 전용 레지스터(Dedicated-Purpose Register)로 구분할 수 있다.
레지스터의 종류
- 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
제어장치(Control Unit, CU)
- 제어장치는 CPU가 자신 및 주변기기들을 컨트롤하는 장치로, 프로그램의 수행 순서를 제어하는 프로그램 계수기(program counter), 현재 수행중인 명령어의 내용을 임시 기억하는 명령 레지스터(instruction register), 명령 레지스터에 수록된 명령을 해독하여 수행될 장치에 제어 신호를 보내는 명령해독기(instruction decoder)로 이루어져 있다.
- 제어 장치 구현의 방식
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고정 배선 제어(Hardwired) Micro Program 제어신호가 Hardwired Circuit에 의해서 생성 되도록 하드웨어 구성하며 상태계수기와 PLA(Programmable Logic Array) 회로로 구성 발생 가능한 제어 신호들의 조합을 미리 구성하여 ROM에 저장했다가 필요 시 신호를 발생시키는 Software 방식 고속 처리, 고가 하드웨어 방식에 비해 속도도 낮고 가격도 저렴 RISC 시스템에 적용 CISC에 적용
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CPU의 기능
명령어 인출 및 해독은 모든 명렁어들에 대하여 공통적으로 수행하며 기억 장치로부터 명령어를 읽어온다.
그리고 데이터 인출 및 처리, 쓰기와 같은 것들은 명령어에 따라필요할 때만 수행한다.
이 명령어 및 명령어 수행 과정과 처리 방식은 CPU에서 중요한 부분을 차지하고 있다.
명령어
명령어는 시스템이 특정 동작을 수행시키는 작은 단위이다.
명령어는 코드로 되어 있는데 동작코드(Op-code: Operational Code) 와 오퍼랜드(Operand) 로 구성되어 있다.
- 동작코드(Op-code): 각 명령어의 실행 동작을 구분하여 표현한다.
- 오퍼랜드(Operand): 명령어의 실행헤 필요한 자료나 실제 자료의 저장 위치를 의미한다.
명령어 수행 과정
- 읽기(Fetch Instruction, FI): 메모리에서 명령을 가져온다.
- 해석(Decode Instruction, DI): 명령을 해석한다.
- 실행(Execute Instruction, EI): 명령을 수행한다.
- 기록(Write Back, WB): 수행한 결과를 기록한다.
명령어 처리 방식
CISC(Complex Instruction Set Computer)
- 여러 사이클로 명령어를 처리한다.
- 많은 명령어가 메모리를 참조하는 방식이다.
- 파이프라이닝의 사용이 어렵다.
- 복잡한 마이크로 프로그램 구조를 갖고있다.
RISC(Reduced Instruction Set Computer)
- 하나의 사이클로 명령어를 처리한다.
- 메모리 Load / Store 명령만 처리하는 방식이다.
- 파이프라이닝, 슈퍼스칼라의 사용이 가능하다.
- 복잡한 컴파일러 구조를 갖고 있다.
📍 Memory
컴퓨터에서 말하는 메모리는 기억소자 즉 반도체를 의미하는데, 반도체는 특성상 전류를 흐르게도 하고 흐르지 않게도 하는 특징이 있어 이를 이용해서 임시적인 내용들을 기억하게 만드는 것이다.
메모리 분류별 특성
보조기억장치와 메모리의 차이는 휘발성 이다.
메모리는 시스템이 활성화 된 상태에서는 그 값을 기억하고 있지만 시스템이 꺼지게 되면 지워지게 된다.
그에 비해 보조 기억장치는 시스템이 꺼져도 기억하고 있는 값이 휘발되지 않는다.
메모리 성능
메모리의 속도는 메모리가 CPU와 데이터를 주고 받는 시간을 말한다.
이를 액세스라 부르며 단위는 ns(nano-second) - 10억분의 1초로써 메모리 속도의 기준이 된다.
메모리의 성능은 속도가 빠를 수록 성능이 좋다고 말할 수 있다.
- 리프레시 시간
- 메모리는 일정 시간마다 재충전을 해줘야 하는데, 그렇지 않으면 정보는 사라지게 된다.
- 이 일정기간을 리프레시 시간이라고 한다.
- 이는 메모리에서 한 번 읽고 나서 다시 읽을 수 있는 사이 시간을 말한다.
- 메모리 엑세스 시간
- 메모리 엑세스 시간은 데이터를 읽어오라는 명령을 받고 데이터를 읽기 시작하기까지의 시간을 말한다.
- CPU에서 명령어를 처리할 때 명령어가 갖는 주소를 보낸다.
- 그러면 CPU에 그 주소에 해당하는 값을 가져오게 되는데 걸리는 시간이 바로 엑세스 시간이다.
- 사이클 시간(리프레시 시간 + 메모리 액세스 시간)
- 사이클 시간은 메모리 작업이 완료와 동시에 대기 신호를 내놓은 후 다음 신호를 받을 준비가 되었다는 신호를 주기까지의 시간을 의미한다.
- 즉 사이클 시간은 메모리 액세스 시간과 리프레시 시간을 더한 것이다.
메모리 종류
주기억장치
RAM(Random Access Memory)
- 컴퓨터의 전원이 끊어지면 내용이 휘발되어 보조 저장 장치가 반드시 필요하다.
- RAM의 크기는 프로그램의 수행 속도에 영향을 준다. 또한 CPU에 직접 접근이 가능한 유일한 저장 장치이다.
- RAM의 종류에는 SRAM과 DRAM이 있는데, SRAM은 리프레쉬가 필요 없고 전력 소모가 적으나 비싸며, DRAM은 리프레쉬가 필요하고 SRAM보다 저가이며 많이 사용되는 편이다.
ROM(Read Only Memory)
- 대부분 읽을 수만 있는 장치로 구성되어 있으며 전원이 끊겨도 내용이 보존된다.
보조기억장치
자기 디스크
- 원판 표면의 철 입자의 방향(N/S극)으로 0과 1을 표현한다. 디스크 드라이브는 자기 디스크로부터 데이터를 읽는 주변 장치를 의미한다.
- 자기 디스크에는 플로피 디스크(FDD)와 하드 디스크(HDD)가 존재한다.
광 디스크
- 광디스크(optical disc, OD)는 빛의 반사를 이용하여 자료를 읽어내는 저장 매체이다.
- 1세대인 CD부터 시작해 2세대 DVD를 거쳐 3세대인 블루레이 디스크까지 존재하고 있다. 차세대 디스크로는 테라 디스크나 HVD 등이 존재한다.
플래시 메모리
- 전자적으로 데이터를 지우고 쓸 수 있는 비휘발성 메모리로 충격에 강하여 휴대용 기기에 널리 쓰인다.
- 플래시 메모리에는 USB와 SSD가 존재하고 있으며, SSD는 HDD와 달리 디스크, 헤더와 같은 기계적 장치는 빠졌지만 저전력, 저소음, 저중량이라는 특징을 갖고 있다.
캐시 메모리(Cache Memory)
캐시 메모리는 CPU 내 또는 외에 존재하는 메모리로써, 메인 메모리와 CPU 간의 데이터 속도 향상을 위한 중간 버퍼 역할을 한다.
- Cache Hit : CPU가 필요한 데이터가 Cache Memory 내에 들어와 있는 경우
- Cache Miss : 접근하고자 하는 데이터가 없을 경우
- Hit Ratio : 원하는 데이터가 Cache에 있을 확률
| 요소 | 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 방식. Cache와 메모리의 내용이 항상 일치하며 구성 방법이 단순하다. Write-Back: 데이터 변경만 캐시에 기록하는 방식. 구성방법이 복잡하다. |
| 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 있다. |
| 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. |
