컴퓨터의 기본 구조
입력 장치
입력장치는 컴퓨터가 처리할 수 있는 형태로 데이터와 명령을 받아들이는 물리적인 장치
기본적으로 키보드와 마우스에서부터, 스캐너와 타블렛, 혹은 조이콘 같이 컴퓨터에 연결하여 무언가를 입력할 수 있는 장치
출력 장치
출력장치는 처리된 데이터를 사람이 이해할 수 있는 형태로 출력하는 물리적인 장치를 의미.
대표적인 출력장치는 모니터로, 컴퓨터에서 나오는 글자, 그림 등의 결과를 화면에 보여주는 장치입니다.
모니터의 해상도는 화면에 나타나는 그림이나 글자의 선명도를 결정하는 요소인데 실제 화면의 해상도는 모니터와 그래픽 카드에 의해 결정 된다.
프린터 또한 출력 장치에 들어가며 전자 장비에 저장되어 있는 문서를 종이 등에 인쇄하는 장치이다.
중앙처리장치 (CPU)
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 제어
- 레지스터는 CPU의 내부 메모리로서 CPU에서 사용하는 데이터를 일시적으로 저장하는 장소다.
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 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 사용 된다.
- 주 기억 장치의 종류로는 RAM과 ROM이 있다.
- 보조 기억 장치는 주 기억 장치를 보조하기 때문에 주 기억 장치에 비해 기억된 내용을 읽는 속도는 느리지만 대용량의 기억이 가능하며 현재 사용하지 않는 프로그램은 보조 기억 장치에 저장 된다.
- 보조 기억 장치의 종류로는 플로피 디스크와 하드 디스크 같은 자기 디스크가 존재하고, CD와 DVD 같은 광 디스크, 그리고 USB와 SSD 같은 플래쉬 메모리가 있다.
폰 노이만 구조
중앙 처리 장치(CPU)라는 것이 있고 이 중앙 처리 장치를 통해서 연산을 수행하게 되는 구조
CPU(중앙처리 장치)는 각종 연산을 수행하고 기억장치에 기억되어 있는 명령어들을 수행하는 컴퓨터 시스템을 이루는 핵심 부품이다.
CPU는 컴퓨터 시스템의 가장 중요한 요소이다.
CPU의 구조
CPU 의 내부 구성은 크게 아래와 같이 구성되어 있다.
산술/논리 연산 장치(ALU)
산술적인 연산과 논리적인 연산을 담당하는 장치로 가산기, 보수기, 누산기, 기억 레지스터, 데이터 레지스터 등으로 구성됩니다. 캐시나 메모리로부터 읽어 온 데이터는 레지스터(Register)라는 CPU 전용의 기억장소에 저장되며, ALU는 레지스터에 저장된 데이터를 이용하여 덧셈, 곱셈 등과 같은 산술 연산을 수행합니다. 부동소숫연산장치(FPU)와 정수연산장치, 논리연산(AND, OR 등)장치 등이 있다.제어 장치
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 있.레지스터 :
CPU 내부의 기억장치(메모리)이다.
주로 산술 연산 논리장치에 의해 사용되는 범용 레지스터(General-Purpose Register)와 PC 등 특수 목적에 사용되는 전용 레지스터(Dedicated-Purpose Register)로 구분
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 수행한다.
이 명령어 및 명령어 수행 과정과 처리 방식은 CPU에서 중요한 부분을 차지한다.
Memory
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
보조 기억장치와 메모리의 차이는 “휘발성”인데,
- 메모리는 시스템이 활성화 된 상태에서 그 값을 기억하고 있지만 시스템이 꺼지게 되면(ShutDown) 지워진다.
- 보조 기억장치는 시스템이 꺼져도 기억하고 있는 값이 휘발되지 않는다.
- 저장/읽기 속도 면에서 메모리와 보조 기억장치는 현저하게 차이가 난다.
- CPU 와 가장 가까이 있는 레지스터 메모리, 캐시 메모리, 주기억 장치, 보조기억 장치는 각각 그 특성에 차이가 있다.
메모리 종류
메모리 중 주 기억 장치의 종류로는 RAM과 ROM가, 보조 기억 장치의 종류로는 자기 디스크, 광디스크, 플래시 메모리가 있다.
주기억 장치
- RAM(Random Access Memory)
컴퓨터의 전원이 끊어지면 내용이 휘발되어 보조 저장 장치가 반드시 필요하다.
RAM의 크기는 프로그램의 수행 속도에 영향을 준다. (RAM의 크기가 작으면 게임이 잘 돌아가지 않음)
CPU에서 직접 접근이 가능한 유일한 저장 장치입니다.- RAM의 종류에는 SRAM과 DRAM이 있는데,
- DRAM은 리프레쉬가 필요하고 SRAM보다 저가이며 많이 사용되는 편이다.
- ROM(Read Only Memory)
대부분 읽을 수만 있는 장치로 구성되어 있으며 전원이 끊겨도 내용이 보존 된다.
보조기억 장치
- 자기 디스크
자기 디스크에는 플로피 디스크(FDD)와 하드 디스크(HDD)가 존재합니다. - 광 디스크
빛의 반사를 이용하여 자료를 읽어내는 저장 매체입니다.
1세대인 CD부터 시작해 2세대 DVD를 거쳐 3세대인 블루레이 디스크까지 존재하고 있다.
차세대 디스크로는 테라 디스크나 HVD등이 존재합니다. - 플래시 메모리
전자적으로 데이터를 지우고 쓸 수 있는 비휘발성 메모리로 충격에 강하여 휴대용 기기에 널리 쓰인다.
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.
- CPU와 메인 메모리 사이에 존재한다고 말할 수 있는데, CPU 내에 존재할 수도 있고 역할이나 성능에 따라서는 CPU 밖에 존재할 수도 있다.
- 특히 빠른 CPU 의 처리속도와
상대적으로 느린 메인 메모리에서의 속도의 차이를 극복하는 완충 역할을 한다.- 쉽게 표현하면 CPU 는 빠르게 일을 진행하고 있는데, 메인 메모리가 데이터를 가져오고 가져가는 게 느려서 캐시 메모리가 중간에 미리 CPU 에 전달될 데이터를 들고 서 있는 형태라고 생각하자.
캐시 메모리의 성능 결정 요소
캐시 메모리는 메인 메모리의 일정 블록 사이즈의 데이터를 담아 두었다가 CPU에 워드 사이즈 만큼의 데이터를 전송한다.
이때 이 사이즈들이 캐시의 성능에 영향을 미치게 되는데. 블록사이즈나 워드 사이즈가 상대적으로 크다면 그만큼 Cache의 Hit Ratio율이 높아지기 때문이다.
- Cache Hit : CPU가 필요한 데이터가 Cache Memory 내에 들어와 있는경우
- Cache Miss : 접근하고자 하는 데이터가 Cache Memory에 없을 경우
- Hit Ratio: 원하는 데이터가 Cache에 있을 확률
캐시 메모리의 성능 결정 요소에는 캐시의 크기 뿐 아니라 다양한 요소들이 관여하고 있다.
| 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. |
여기서 잠깐
캐시 사이즈가 커지면 캐시에서 꺼내서 쓸 수 있는 데이터가 많아서 hit 이 늘어날 것 같은데 왜 사이즈와 hit ratio는 반비례일까?
- Cache에 CPU가 요청한 데이터가 있는지 없지를 “탐색” 해서 찾아야 한다. Cache라는 공간을 모두 탐색해서 뒤져야 한다는 것이다
이 경우 Cache가 너무 공간이 크면 그만큼 탐색할 공간이 늘어나버린다.
그래서 Cache가 너무 공간이 크면 캐시 효율이 떨어진다고 하는것이다.
그렇다고 Cache가 그럼 코딱지만큼 작으면 더 효율적일까?
그건 아니다.
그럼 충분한 데이터를 메인데이터로부터 꺼내서 미리 캐시에 저장해놓을 공간 자체가 부족 할 수 있기 때문이다.
그래서 Cache는 너무 커도 비효율적이고, 너무 작으면 제 기능을 못하는 수가 있는것이다.
그래서 보통 캐시메모리가 부족한 경우 에는 캐시메모리를 증설 (= 즉, 캐시메모리 공간을 늘려줘서 크게 만드는것) 이 효과적일 수 있지만, 반대로 캐시메모리가 부족하지 않은경우, 이미 빈 공간이 남아도는 경우는 쓸데없이 캐시공간이 크면, 데이터를 탐색하는 공간을 키워서 오히려 성능을 떨어뜨릴 수 있다.
정리하자면, 캐시는 너무 커서도 너무 작아서도 안된다.
캐시 메모리 설명 참고 해보기
추가적으로
컴퓨터의 캐시 메모리는 크롬 브라우저의 캐시 삭제와 관련이 있을까?
있다.
왜냐하면 크롬 브라우저는 결국 일종의 프로그램이고, 컴퓨터의 운영체제 위에서 돌아가기 때문이다.
그래서 크롬 브라우저에서 사용하는 캐시는 컴퓨터의 캐시 메모리 중 일부분을 할당 받아 사용하고 있다고 생각하면 된다.
컴퓨터의 캐시 메모리는 다양한 용도로 사용되는데, 특히 CPU와 메인 메모리 사이에서 데이터 전송을 최적화 하고 프로그램 실행 속도를 높이는 등의 역할을 한다.
크롬 브라우저의 캐시 또한 웹 페이지 속도를 높이기 위한 목적으로 사용된다. (캐시 메모리를 일부분 할당 받아 사용하고 있기 때문에 역할의 결이 비슷함)
그래서 크롬 브라우저의 캐시를 삭제하면 컴퓨터의 캐시 메모리에 저장되어 있는 일부 데이터 (크롬 브라우저와 연관되어 있는)가 함께 삭제 될 수 있다.
