[혼공컴운] 1주차 Chapter 01~03

yeon·2024년 1월 7일

기본 미션

p.51의 확인 문제 3번 풀고 인증하기

다음 설명의 빈칸에 들어갈 알맞은 내용을 써보세요.
프로그램이 실행되려면 반드시 ( )에 저장되어 있어야 합니다.
정답: 메모리

p.65의 확인 문제 3번 풀고 인증하기

1101(2)의 음수를 2의 보수 표현법으로 구해 보세요.
1101
↓ (모든 0과 1 뒤집기)
0010
↓ (1 더하기)
0011

정답: 1101(2)를 음수로 표현한 값은 0011(2) 입니다.

선택 미션

p.100의 스택과 큐의 개념을 정리하기

스택 (stack)

한쪽 끝이 막혀 있는 통과 같은 저장 공간
LIFO (Last In First Out) 자료 구조: 나중에 저장한 데이터를 가장 먼저 빼내는 데이터 관리 방식 (후입선출)

큐 (queue)

양쪽이 뚫려 있는 통과 같은 저장 공간
FIFO (First In First Out) 자료 구조: 가장 먼저 저장된 데이터부터 빼내는 데이터 관리 방식 (선입선출)

내용 정리

1-1. 컴퓨터 구조를 알아야 하는 이유

문제 해결을 위한 다양한 실마리를 찾을 수 있음
개발한 프로그램의 성능과 용량, 비용을 고려할 수 있음

1-2. 컴퓨터 구조의 큰 그림

컴퓨터가 이해하는 정보

데이터: 컴퓨터가 이해하는 숫자, 문자, 이미지, 동영상과 같은 정적인 정보. 명령어를 위해 존재하는 일종의 재료
명령어: 컴퓨터를 작동시키는 정보
(컴퓨터는 명령어를 처리하는 기계임)

컴퓨터의 4가지 핵심 부품

중앙처리장치 (CPU): 메모리에 저장된 명령어를 읽어 들이고, 해석하고, 실행하는 부품
주기억장치 (메모리): 현재 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장하는 부품
보조기억장치: 전원이 꺼져도 보관할 프로그램을 저장하는 부품
입출력장치: 컴퓨터 외부에 연결되어 컴퓨터 내부와 정보를 교환할 수 있는 부품

메모리

프로그램이 실행되기 위해서는 반드시 메모리에 저장되어 있어야 함
메모리는 현재 실행되는 프로그램 (프로세스)의 명령어와 데이터를 저장
메모리에 저장된 값의 위치는 주소로 알 수 있음

CPU

CPU는 메모리에 저장된 값을 읽어 들이고, 해석하고, 실행하는 장치
CPU 내부에는 ALU, 레지스터, 제어장치가 있음
ALU는 계산하는 장치, 레지스터는 임시 저장 장치, 제어장치는 제어 신호를 발생시키고 명령어를 해석하는 장치

시스템버스
: 컴퓨터의 네 가지 핵심 부품들이 서로 정보를 주고받는 통로

주소 버스, 데이터 버스, 제어 버스로 구성되어 있음
메인보드 내부에는 시스템 버스를 비롯한 다양한 버스가 있음
CPU가 메모리에 값을 저장할 때 주소 버스, 데이터 버스, 제어 버스를 모두 사용할 수 있음

2-1. 0과 1로 숫자를 표현하는 방법

비트: 0과 1로 표현할 수 있는 가장 작은 정보 단위
바이트, 킬로바이트, 메가바이트, 기가바이트, 테라바이트는 비트보다 더 큰 정보 단위
워드(word): CPU가 한 번에 처리할 수 있는 데이터 크기 (x64 CPU는 64비트 워드 CPU)
이진법은 1을 넘어가는 시점에 자리 올림을 하여 0과 1만으로 수를 표현하는 방법
이진법에서 음수는 2의 보수로 표현 가능
- 2의 보수: 어떤 수를 그보다 큰 2^n에서 뺀 값
십육진법은 15를 넘어가는 시점에 자리 올림하여 수를 표현하는 방법
- 이진수와 십육진수 간의 변환이 쉽기 때문에 이진수와 더불어 십육진수가 많이 사용됨

2-2. 0과 1로 문자를 표현하는 방법

문자 집합은 컴퓨터가 인식할 수 있는 문자의 모음으로, 문자 집합에 속한 문자를 인코딩하여 0과 1로 표현할 수 있음
아스키 문자 집합에 0부터 127까지의 수가 할당되어 아스키 코드로 인코딩됨
- 문자 표현을 위해 사용되는 비트 7비트, 1비트는 패리티 비트로 오류 검출을 위해 사용
EUC-KR은 한글을 2바이트 크기로 인코딩할 수 있는 완성형 인코딩 방식
유니코드는 여러 나라의 문자들을 광범위하게 표현할 수 있는 통일된 문자 집합이며, UTF-8, UTF-16, UTF-32는 유니코드 문자의 인코딩 방식

3-1. 소스 코드와 명령어

고급 언어: 사람이 이해하고 작성하기 쉽게 만들어진 언어
저급 언어: 컴퓨터가 직접 이해하고 실행할 수 있는 언어
저급 언어는 0과 1로 이루어진 명령어로 구성된 기계어와 기계어를 사람이 읽기 편한 형태로 번역한 어셈블리어가 있음
컴파일 언어: 컴파일러에 의해 소스 코드 전체가 저급 언어로 변환되어 실행되는 언어
인터프리터 언어: 인터프리터에 의해 소스 코드가 한 줄씩 저급 언어로 변환되어 실행되는 언어

컴파일 언어와 인터프리터 언어

컴파일 언어는 한 줄이라도 소스상에 오류가 있다면 실행될 수 없음
일반적으로 컴파일 언어가 인터프리터 언어보다 빠름
인터프리터는 인터프리터 언어로 작성된 소스 코드를 한 줄씩 저급 언어로 변환하여 실행함
컴파일러는 컴파일 언어로 작성된 소스 코드 전체를 목적 코드로 변환함

❓ Java는 컴파일 언어일까? 인터프리터 언어일까?
Java의 경우 저급 언어가 되는 과정에서 컴파일과 인터프리트를 동시에 수행

프로그래머가 작성한 프로그램은 텍스트 파일
- 확장자가 java
- [Workspace 이름] > [Project 이름] > src
- 메모장으로 열면 텍스트 형식 (인간이 읽을 수 있는 형태)
자바 소스 코드를 컴파일하면 실행 파일 생성
- 확장자가 .class
- [Workspace 이름] > [Project 이름] > bin
- 메모장으로 열면 이진 형식 (인간이 읽을 수 없는 형태)
실제로 실행되는 것은 클래스 파일

컴파일 과정
1. 자바 컴파일러는 자바 언어로 작성된 프로그램을 가상 컴퓨터의 기계어가 들어 있는 파일(바이트 파일)로 변환
2. 자바 가상 기계(JVM: Java Virtual Machine)라는 특수한 가상 컴퓨터 S/W가 바이트 코드를 한 줄씩 읽어서 해석한 후에 실행

두 단계로 나누어서 컴파일하고 실행하는 이유
: 응용 프로그램들을 다시 컴파일하지 않아도 모든 컴퓨터에서 실행되도록 하기 위해서
JVM만 가지고 있다면 어떤 바이트 코드도 다시 컴파일할 필요없이 JVM 위에서 실행할 수 있음. 동일한 바이트 코드 파일이 윈도우, 리눅스, Mac OS에서 변경없이 실행 가능

3-2. 명령어와 구조

명령어: 연산 코드와 오퍼랜드로 구성
연산 코드: 명령어가 수행할 연산을 의미
오퍼랜드: 연산에 사용할 데이터 또는 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치를 의미
주소 지정 방식: 연산에 사용할 데이터 위치를 찾는 방법

연산 코드

데이터 전송 (MOVE, STORE, LOAD, PUSH, POP...)
산술/논리 연산 (ADD, INCREMENT, AND, COMPARE...)
제어 흐름 변경 (JUMP, HALT, CALL, RETURN...)
입출력 제어 (READ, WRITE, START IO, TEST IO...)

주소 지정 방식

즉시 주소 지정 방식
: 연산에 사용할 데이터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시
- 표현할 수 있는 데이터의 크기가 작아지는 단점
- 연산에 사용할 데이터를 메모리나 레지스터로부터 찾는 과정이 없기 때문에 다른 주소 지정 방식들보다 빠름

직접 주소 지정 방식
: 오퍼랜드 필드에 유효 주소를 직접적으로 명시
- 표현할 수 있는 데이터의 크기는 즉시 주소 지정 방식보다 커짐
- 표현할 수 있는 오퍼랜드 필드의 길이가 연산 코드의 길이만큼 짧아져 표현할 수 있는 유효 주소에 제한이 생길 수 있음
간접 주소 지정 방식
: 유효 주소의 주소를 오퍼랜드 필드에 명시
- 직접 주소 지정 방식보다 표현할 수 있는 유효 주소의 범위가 더 넓어짐
- 두 번의 메모리 접근이 필요하기 때문에 앞의 주소 지정 방식들보다 일반적으로 느림
레지스터 주소 지정 방식
: 연산에 사용할 데이터를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시
- CPU 외부에 있는 메모리에 접근하는 것보다 CPU 내부에 있는 레지스터에 접근하는 것이 더 빠르기 때문에, 직접 주소 지정 방식보다 빠르게 데이터에 접근할 수 있음
- 표현할 수 있는 레지스터 크기에 제한이 생길 수 있음 (직접 주소 지정 방식과 비슷한 문제를 공유)
레지스터 간접 주소 지정 방식
: 연산에 사용할 데이터를 메모리에 저장하고, 그 주소(유효 주소)를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 명시
- 간접 주소 지정 방식보다 빠름