컴퓨터의 구조

🖥️

컴퓨터의 구조

컴퓨터의 기본 구성 요소

CPU

CPU의 구조

CPU의 기능

Memory

메모리 분류별 특성

메모리 성능

메모리 종류

컴퓨터의 구조

컴퓨터는 단순히 말하자면 하드웨어와 소프트웨어가 합쳐진 형태이다. 하드웨어는 전자 회로 및 기계장치로 입출력 장치, 중앙처리장치(CPU), 기억장치 등으로 구성되어 있다. 소프트웨어는 그 하드웨어 위에서 제어하며 작업을 수행하는 프로그램이다.

컴퓨터의 기본 구성 요소

컴퓨터는 입력장치(Input), 출력장치(Output)가 갖춰져 있고 내부에는 연산을 위한 중앙처리장치(CPU), 저장을 하기 위한 주 기억장치와 보조 기억장치를 가진다.

• 입력장치

  컴퓨터가 처리할 수 있는 형태로 데이터와 명령을 받아들이는 물리적인 장치. → ex. 키보드, 마우스, 캠, 마이크, 스캐너, 타블렛, 조이스틱 등

• 출력장치

  처리된 데이터를 사람이 이해할 수 있는 형태로 출력하는 물리적인 장치. → ex. 모니터, 스피커, 프린터 등

• 중앙처리장치(CPU)

  CPU의 내부 구성은 크게 산술/논리 연산 장치(ALU)와 제어 장치, 레지스터로 구성된다. ALU는 말 그대로 연산을 수행하고 제어장치는 프로그램에 따라 명령과 제어 신호를 생성해 각종 장치의 동작을 제어한다. 레지스터는 내부 메모리로 CPU에서 사용하는 데이터를 일시적으로 저장한다.

• 저장장치

  크게 주 기억 장치(Memory)와 보조 기억 장치(HDD, SSD, CD 등)로 나뉜다. 주 기억 장치는 CPU에 필요한 정보를 저장해두었다가 필요할 때 읽어들이는 저장소이다. 이는 CPU의 레지스터가 용량이 매우 적기 때문에 이를 보조하는 역할을 하며, 빠른 읽기 처리가 가능하도록 되어 있다. 보조 기억 장치는 주 기억 장치보다 읽는 속도는 느리지만 대용량의 저장이 가능해 현재 사용하지 않는 프로그램은 보조 기억 장치에 저장이 된다.

CPU

중앙처리장치(CPU)는 각종 연산을 수행하고 기억장치에 기억되어 있는 명령어들을 수행하는 컴퓨터 시스템의 핵심 부품이다.

CPU의 구조

CPU는 크게 산술/논리 연산 장치(ALU)와 제어 장치, 레지스터로 구성된다.

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

  산술적인 연산과 논리적인 연산을 담당하는 장치로 가산기, 보수기, 누산기, 기억 레지스터, 데이터 레지스터 등으로 구성된다. 캐시나 메모리에서 읽어온 데이터는 레지스터에 저장되며, ALU는 레지스터에 저장된 데이터를 이용해 덧셈, 곱셈 등과 같은 산술 연산을 수행한다. 부동소숫연산장치(FPU)와 정수연산장치, 논리연산(AND, OR 등)장치 등이 있다.

• 레지스터(Register)

  CPU 내부에 있는 기억장치로, 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 종류는 아래와 같다.

  • 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 주변기기를 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 명령 해독기(instruction decoder)로 이루어져 있다. 제어 장치의 구현 방식은 아래와 같다.

  Hardwired (고정 배선 제어)	Micro Program
  제어신호가 Hardwired Circuit 에 의해서 생성 되도록 하드웨어 구성하며 상태계수기와 PLA(Programmable Logic Array ) 회로로 구성	발생 가능한 제어 신호들의 조합을 미리 구성하여 ROM 에 저장했다가 필요 시 신호를 발생시키는 Software 방식
  고속 처리, 고가	하드웨어 방식에 비해 속도도 낮고 가격도 저렴
  RISC 시스템에 적용	CISC 에 적용

CPU의 기능

CPU의 기능은 명령어와 데이터에 관련이 있다. 명령어 인출 및 해독은 모든 명령어들에 대해 공통적으로 수행하며 기억장치로부터 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.

• 명령어

  명령어는 시스템이 특정 동작을 수행시키는 작은 단위이다. 코드로 되어 있으며, 동작코드(Op-code : Operational Code)와 오퍼랜드(Operand)로 구성되어 있다.

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

• 명령어 수행 과정

  CPU가 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

  명렁어 처리 방식에는 RISC와 CISC가 있다. RISC(Reduced Instruction Set Computer)는 컴퓨터 내부적으로 사용하는 명령어 세트를 단순화시켜 처리하는 형태의 구조로 단순한 명령을 조합해 하나의 기능을 수행한다. CISC(Complex Instruction Set Computer)는 하나의 기능에 해당하는 하나의 명령이 있는 개념이다.

  CISC	RISC
  여러 사이클로 명령어를 처리	하나의 사이클로 명령어를 처리
  많은 명령어가 메모리를 참조하는 처리 방식	메모리 Load / Store 명령만 처리하는 방식
  파이프라이닝의 사용이 어려움	파이프라이닝, 슈퍼스칼라의 사용이 가능
  복잡한 마이크로 프로그램 구조	복잡한 컴파일러 구조

Memory

컴퓨터에서 말하는 메모리는 기억소자, 즉 반도체를 의미한다. 반도체는 특성 상 전류를 흐르게도 하고 흐르지 않게도 하는 특징이 있어 이를 이용해 임시적인 내용들을 기억하게 한다.

메모리 분류별 특성

보조 기억장치와 메모리의 차이는 휘발성이다. 메모리는 시스템이 활성화 된 상태에서 그 값을 기억하고 있지만 시스템이 꺼지면 지워지게 되지만, 보조 기억 장치는 시스템이 꺼져도 기억하고 있는 값이 휘발되지 않는다. 또한 저장/읽기 속도 면에서 메모리와 보조 기억장치는 현저한 차이를 보인다. CPU와 가장 가까이 있는 레지스터 메모리, 캐시 메모리, 주 기억 장치, 보조 기억 장치는 각각 그 특성에 차이가 있다.

메모리 성능

메모리의 속도는 메모리가 CPU와 데이터를 주고 받는 시간을 의미한다. 이를 액세스라 부르며 단위는 ns(nano-second, 10억분의 1초)로 메모리 속도의 기준이 된다. 메모리의 성능은 속도가 빠를 수록 성능이 좋다고 말할 수 있다.

• 리프레시 시간

  메모리는 일정 시간마다 재충전 해주지 않으면 정보가 사라지게 된다. 이 일정기간을 리프레시 시간이라 하며, 이는 메모리에서 한 번 읽고 나서 다시 읽을 수 있는 사이 시간을 말한다.

• 메모리 액세스 시간

  데이터를 읽어오는 명령을 받고 데이터를 읽기 시작하기까지의 시간을 의미한다. CPU에서 명령어를 처리할 때 명령어가 갖는 주소를 보내는데, 이 때 CPU에 그 주소에 해당하는 값을 가져오는데 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. 즉, 리프레시 시간과 메모리 액세스 시간을 더한 것이다.

메모리 종류

• 주 기억 장치
  • RAM(Random Access Memory)

    컴퓨터의 전원이 끊어지면 내용이 휘발되어 보조 저장 장치가 반드시 필요하다. RAM의 크기는 프로그램의 수행 속도에 영향을 주며, CPU에서 직접 접근이 가능한 유일한 저장 장치이다. RAM의 종류에는 리프레시가 필요없고 전력 소모가 적으나 비싼 SRAM, 리프레시가 필요하고 SRAM보다 저가이며 많이 사용되는 DRAM이 있다.

  • ROM(Read Only Memory)

    대부분 읽을 수만 있는 장치로 구성되어 있으며 전원이 끊겨도 내용이 보존된다.

• 보조 기억 장치
  • 자기 디스크

    원판 표면의 철 입자 방향(N/S극)으로 0과 1을 표현하며, 디스크 드라이브는 자기 디스크로부터 데이터를 읽는 주변 장치를 의미한다. 플로피 디스크(FDD)와 하드 디스크(HDD)가 존재한다.

  • 광 디스크(optical disc, OD)

    빛의 반사를 이용해 자료를 읽어내는 저장 매체이다. 1세대인 CD로 시작해 2세대인 DVD를 거쳐 3세대인 BD(블루레이 디스크)까지 존재한다. 차세대로는 테라 디스크나 HVD가 존재한다.

  • 플래시 메모리

    전자적으로 데이터를 지우고 쓸 수 있는 비휘발성 메모리로 충격에 강하여 휴대용 기기에 널리 쓰인다. USB와 SSD가 있으며 특히 SSD는 HDD와 달리 디스크, 헤더와 같은 기계적 장치가 빠지고 저전력, 저소음, 저중량이라는 특징이 있다.

  캐시 메모리(Cache Memory)

  캐시 메모리는 CPU 내 또는 외에 존재하는 메모리로, 메인 메모리와 CPU간의 데이터 속도 향상을 위한 중간 버퍼 역할을 한다. 여기서 Cache는 보관이나 저장의 의미를 가진다. 캐시 메모리는 이런 역할을 하는 물리적 장치를 말하며, CPU와 메인 메모리 사이에 존재한다고 말할 수 있지만 역할이나 성능에 따라 실제 위치는 CPU 내에 존재할 수도 있고 밖에 존재할 수도 있다.

  특히 빠른 CPU의 처리 속도와 상대적으로 느린 메인 메모리에서의 속도 차이를 극복하는 완충 역할을 한다.

  • 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 미치는데, 블록 사이즈나 워드 사이즈가 상대적으로 크다면 그만큼 Cache의 Hit Ratio율이 높아지기 때문이다.

    CPU에 필요한 데이터가 Cache Memory 내에 들어와 있으면 Cache Hit이라 하고 접근하고자 하는 데이터가 없을 경우 Cache Miss라 한다. 이렇게 원하는 데이터가 있을 수도, 없을 수도 있는데 이 때 원하는 데이터가 Cache에 있을 확률을 Hit Ratio라 한다.

    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.

Uploaded by N2T