컴퓨터 구조, CPU와 Memory

컴퓨터 구조

컴퓨터는 단순하게 말하자면 하드웨어와 소프트웨어가 합쳐진 형태이다.
하드웨어란 전자 회로 및 기계 장치로 되어 있어 입출력 장치, 중앙처리장치(CPU), 기억장치 등으로 구성되어 있습니다.
소프트웨어는 그 하드웨어 위에서 하드웨어를 제어하며 작업을 수행하는 프로그램입니다.

컴퓨터의 기본 구성 요소

컴퓨터는 입력장치(Input), 출력장치(Output)가 갖춰져 있고, 내부에는 연산을 하기 위한 중앙처리장치(CPU), 저장을 하기 위한 주 기억장치와 보조기억장치를 가지고 있습니다.

1) 입력 장치

컴퓨터가 처리할 수 있는 형태로 데이터와 명령을 받아들이는 물리적인 장치.
기본적으로 키보드와 마우스, 스캐너와 타블렛 혹은 조이콘과 같이 컴퓨터에 연결하여 무언가를 입력할 수 있는 장치이다.

2) 출력 장치

출력장치는 처리된 데이터를 사람이 이해할 수 있는 형태로 출력하는 물리적인 장치를 의미한다.
가장 태표적으로는 모니터로, 컴퓨터에서 나오는 글자, 그림 등의 결과를 화면에 보여주는 장치이다.

3) 중앙처리장치

CPU의 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 것입니다.
그리고 레지스터는 CPU의 내부 메모리로서 CPU에서 사용하는 데이터를 일시적으로 저장하는 장소이다.

4) 저장 장치

저장장치는 데이터나 프로그램을 보관하기 위한 일차 기억 장치인 주 기억 장치(Memory)와 주 기억 장치를 보조하기 위한 디스크와 씨디 같은 보조 기억 장치가 존재하고 있다.

프로그램 수행을 위해 필요한 정보에 비해 중앙처리장치 내에 구비되어 있는 레지스터의 용량이 너무 작기 때문에, 주 기억 장치는 주로 정보를 저장해 두었다가 필요할 때 읽어들이는 저장소로 사용이 된다. 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.

CPU

CPU는 각종 연산을 수행하고 기억장치에 기억되어 있는 명령어들을 수행하는 컴퓨터 시스템을 이루는 핵심 부품이다.

CPU의 구조

CPU의 내부 구성은 크게 산술/논리 연상 장치(ALU), 제어 장치와 레지스터로 구성되어 있다.

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

산술적인 연산과 논리적인 연산을 담당하는 장치로 가산기, 보수기, 누산기, 기억 레지스터, 데이터 레지스터 등으로 구성된다.
캐시나 메모리로부터 읽어 온 데이터는 레지스터(Register)라는 CPU 전용의 기억장소에 저장되며, ALU는 레지스터에 저장된 데이터를 이용하여 덧셈, 곰셈 등과 같은 산술 연산을 수행합니다.

2) 레지스터(Register)

레지스터(Register)는 중앙처리장치(CPU) 내부에 있는 기억장치입니다.
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 있습니다.

레지스터 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

3) 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 제어신호를 보내는 명령해독기(instruction decoder)로 이루어져 있다.

CPU의 기능

CPU의 기능은 명령어와 데이터에 관련이 있다.
명령어 인출 및 해독은 모든 명령어들에 대하여 공통적으로 수행하며 기억 장치로부터 명령어를 읽어온다.
그리고 데이터 인출 및 처리, 쓰기와 같은 것들은 명령어에 따라 필요할 때만 수행하게 된다.

명령어

명령어는 시스템이 특정 동작을 수행시키는 작은 단위이다.

• 동작 코드(Op-code): 각 명령어의 실행 동작을 구분하여 표현합니다.
• 오퍼랜드(Operand): 명령어의 실행에 필요한 자료나 실제 자료의 저장 위치를 의미합니다.

명령어 수행 과정

CPU 가 하나의 명령(Operation)을 처리하는 과정은 다음과 같다.

• 읽기(Fetch Instruction, FI): 메모리에서 명령을 가져옵니다.
• 해석(Decode Instruction, DI): 명령을 해석합니다.
• 실행(Execute Instruction, EI): 명령을 수행합니다.
• 기록(Write Back, WB): 수행한 결과를 기록합니다.

명령어 처리 방식

명령어 처리 방식에는 RISC와 CISC가 있다.

• RISC(Reduced Instruction Set Computer)는 컴퓨터 내부적으로 사용하는 명령어 세트를 단순화 시켜서 처리하는 형태의 구조이며, 단순한 명령을 조합해서 하나의 기능을 수행하게 됩다.
• CISC(Complex Instruction Set Computer)는 하나의 기능에 해당하는 하나의 명령이 있는 개념이라고 생각하면 된다.

Memory

컴퓨터에서 말하는 메모리는 기억소자 즉 반도체를 의미하는데, 반도체는 특성상 전류를 흐르게도 하고 흐르지 않게도 하는 특징이 있어 이를 이용해서 임시적인 내용들을 기억하게 만드는 것입니다.

메모리 분류별 특성

보조 기억장치와 메모리의 차이는 “휘발성”인데, 메모리는 시스템이 활성화 된 상태에서 그 값을 기억하고 있지만 시스템이 꺼지게 되면(ShutDown) 지워지게 된다.
그에 비해 보조 기억장치는 시스템이 꺼져도 기억하고 있는 값이 휘발되지 않는다.

메모리 성능

메모리의 속도는 메모리가 CPU와 데이터를 주고받는 시간을 말한다.
메모리의 성능은 속도가 빠를 수록 성능이 좋다고 말할수 있다.

• 리프레시 시간
  메모리는 일정 시간마다 재충전을 해줘야 하는데, 그렇지 않으면 정보는 사라지게 됩니다. 이 일정기간을 리프레시 시간이라고 합니다. 이는 메모리에서 한번 읽고 나서 다시 읽을 수 있는 사이 시간을 말한다.

• 메모리 액세스 시간
  메모리 액세스 시간은 데이터를 읽어오라는 명령을 받고 데이터를 읽기 시작하기까지의 시간을 말한다. CPU에서 명령어를 처리할 때 명령어가 갖는 주소를 보내면 CPU에 그 주소에 해당하는 값을 가져 오게 되는데 걸리는 시간이 액세스 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.

메모리 종류

메모리 중 주 기억 장치의 종류로는 RAM과 ROM가, 보조 기억 장치의 종류로는 자기 디스크, 광디스크, 플래시 메모리가 있다.

주기억장치

1. RAM(Random Access Memory)

• 컴퓨터의 전원이 끊어지면 내용이 휘발되어 보조 저장 장치가 반드시 필요하다.
• RAM의 크기는 프로그램의 수행 속도에 영향을 준다.
• CPU에서 직접 접근이 가능한 유일한 저장 장치이다.

2. ROM(Read Only Memory)

• 대부분 읽을 수만 있는 장치로 구성되어 있으며 전원이 끊겨도 내용이 보존이 된다.

보조기억장치

1. 자기 디스크

• 디스크 드라이브는 자기 디스크로부터 데이터를 읽는 주변 장치를 의미한다.
• 자기 디스크에는 플로피 디스크(FDD)와 하드 디스크(HDD)가 존재한다.

2. 광 디스크

• 광 디스크(optical disc, OD)는 빛의 반사를 이용하여 자료를 읽어내는 저장 매체이다.
• 1세대인 CD부터 시작해 2세대 DVD를 거쳐 3세대인 블루레이 디스크까지 존재하고 있다. 차세대로는 테라 디스크나 HVD등이 존재한다.

3. 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 가지고 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.

캐시 메모리의 성능 결정 요소

캐시 메모리는 메인 메모리의 일정 블록 사이즈의 데이터를 담아 두었다가 CPU에 워드 사이즈 만큼의 데이터를 전송하게 된다. 이때 이 사이즈들이 캐시의 성능에 영향을 미치게 되는데, 블록사이즈나 워드 사이즈가 상대적으로 크다면 그만큼 Cache의 Hit Ratio율이 높아지기 때문이다.

CPU가 필요한 데이터가 Cache Memory 내에 들어와 있으면 ‘Cache Hit’라 하고 접근하고자 하는 데이터가 없을 경우를 ‘Cache Miss’라 합니다.

이러한 원하는 데이터가 있을 수도 있고 없을 수도 있는데, 이때 원하는 데이터가 Cache에 있을 확률을 ‘Hit Ratio’라 한다.

캐시 메모리의 성능 결정 요소는 아래와 같다.

• Cache 크기 : Cache Memory의 Size의 크기가 크면 Hit Ratio율과 반비례 관계
• 인출 방식 (Fetch Algorithm) : 필요 시 요구하여 인출하는 방식인 요구 인출(Demand Fetch)과 예상되는 데이터를 미리 인출하는 선 인출(Pre-Fetch)방식이 있다.
• 쓰기 정책 (Write Policy) : 주기억 장치와 캐시에 동시에 쓰는 방식인 Write-Through와 데이터 변경만 캐시에 기록하는 방식인 Write-Back로 구분된다.
• 교체(Replace) 알고리즘 : Cache Miss 발생시 기존 메모리와 교체하는 방식
• 사상(Mapping) 기법 : 주기억장치의 블록을 적재할 캐시 내의 위치를 지정하는 방법