S4) Unit 5. [컴퓨터 공학] 컴퓨터 구조

📣  컴퓨터 구조

𝟭. 컴퓨터의 구조

✔️ 컴퓨터는 하드웨어와 소프트웨어가 합쳐진 형태

➰ 하드웨어 : 전자 회로 및 기계 장치로 되어있어 입출력 장치, 중앙처리장치(CPU), 기억장치 등으로 구성

➰ 소프트웨어 : 하드웨어 위에서 하드웨어를 제어하며 작업을 수행하는 프로그램

 

𝟮. 컴퓨터의 기본 구성 요소

1️⃣ 입력 장치

✔️ 컴퓨터가 처리할 수 있는 형태로 데이터와 명령을 받아들이는 물리적인 장치

➰ 키보드, 마우스, 스캐너, 타블렛, 조이콘 등

 

2️⃣ 출력 장치

✔️ 처리된 데이터를 사람이 이해할 수 있는 형태로 출력하는 물리적인 장치

➰ 모니터 : 컴퓨터에서 나오는 글자, 그림 등의 결과를 화면에 보여주는 장치

    ㄴ 실제 화면의 해상도는 모니터와 그래픽 카드에 의해 결정

➰ 프린터 : 전자 장비에 저장되어 있는 문서를 종이 등에 인쇄하는 장치

 

3️⃣ 중앙처리장치(CPU)

✔️ 산술/논리 연산 장치(ALU)와 제어 장치, 레지스터로 구성

➰ 산술/논리 연산 장치(ALU) : 덧셈 수행

➰ 제어 장치 : 프로그램에 따라 명령과 제어 신호를 생성하여 각종 장치의 동작을 제어

➰ 레지스터 : CPU의 내부 메모리로서 CPU에서 사용하는 데이터를 일시적으로 저장하는 장소

 

4️⃣ 저장 장치

✔️ 주 기억 장치(Memory)

➰ 정보를 저장해 두었다가 필요할 때 읽어들이는 저장소로 사용

➰ RAM과 ROM이 존재

 

✔️ 보조 기억 장치

➰ 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

➰ 플로피 디스크와 하드 디스크 같은 자기 디스크, CD와 DVD 같은 광 디스크, USB와 SSD 같은 플래쉬 메모리가 존재

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📣  CPU

𝟭. CPU 란?

✔️ 각종 연산을 수행하고 기억장치에 기억되어 있는 명령어들을 수행하는 컴퓨터 시스템을 이루는 핵심 부품

 

𝟮. CPU의 구조

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

✔️ 산술적인 연산과 논리적인 연산을 담당하는 장치

➰ 가산기, 보수기, 누산기, 기억 레지스터, 데이터 레지스터 등으로 구성

➰ 레지스터에 저장된 데이터를 이용하여 덧셈, 곰셈 등과 같은 산술 연산을 수행

➰ 동소숫연산장치(FPU)와 정수연산장치, 논리연산(AND, OR 등)장치 등이 있다.

 

2️⃣ 레지스터(Register)

✔️ 중앙처리장치(CPU) 내부에 있는 기억장치

➰ 산술 연산 논리장치에 의해 사용되는 범용 레지스터, PC 등 특수 목적에 사용되는 전용 레지스터

➰ 종류는 IR(Instruction Register), PC(Program Counter), AC(Accumulator)가 있다.

    ㄴ IR (Instruction Register) : 현재 수행 중에 있는 명령어 부호를 저장하고 있는 레지스터

    ㄴ PC (Program Counter) : 명령이 저장된 메모리의 주소를 가리키는 레지스터

    ㄴ AC (Accumulator) : 산술 및 논리 연산의 결과를 임시로 기억하는 레지스터

 

3️⃣ 제어장치(Control Unit, CU)

✔️ CPU가 자신 및 주변기기들을 컨트롤하는 장치

➰ 프로그램 계수기 : 프로그램의 수행 순서를 제어

➰ 명령 레지스터 : 현재 수행중인 명령어의 내용을 임시 기억

➰ 명령해독기 : 명령 레지스터에 수록된 명령을 해독하여 수행될 장치에 제어신호를 전송

 

✔️ 제어 장치 구현 방식

➰ 고정 배선 제어(Hardwired)

     ㄴ 제어신호가 Hardwired Circuit 에 의해서 생성 되도록 하드웨어 구성하며 상태계수기와 PLA(Programmable Logic Array ) 회로로 구성

     ㄴ 고속 처리, 고가

     ㄴ RISC 시스템에 적용

➰ Micro Program

     ㄴ 발생 가능한 제어 신호들의 조합을 미리 구성하여 ROM 에 저장했다가 필요 시 신호를 발생시키는 Software 방식

     ㄴ 하드웨어 방식에 비해 속도도 낮고 가격도 저렴

     ㄴ CISC 에 적용

 

𝟯. CPU의 기능

1️⃣ 명령어 인출 및 해독 : 모든 명령어들에 대하여 공통적으로 수행하며 기억 장치로부터 명령어를 읽어온다.

2️⃣ 데이터 인출 및 처리, 쓰기 : 명령어에 따라 필요할 때만 수행

 

✔️ 명령어

➰ 시스템이 특정 동작을 수행시키는 작은 단위

➰ 동작코드(Op-code : Operational Code)와 오퍼랜드(Operand)로 구성

     ㄴ 동작 코드(Op-code): 각 명령어의 실행 동작을 구분하여 표현

     ㄴ 오퍼랜드(Operand): 명령어의 실행에 필요한 자료나 실제 자료의 저장 위치를 의미

 

✔️ 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 : 하나의 기능에 해당하는 하나의 명령이 있는 개념

    ㄴ 여러 사이클로 명령어를 처리

    ㄴ 많은 명령어가 메모리를 참조하는 처리 방식

    ㄴ 파이프라이닝의 사용이 어렵다.

    ㄴ 복잡한 마이크로 프로그램 구조를 갖는다.

 

➰ RISC : 컴퓨터 내부적으로 사용하는 명령어 세트를 단순화 시켜서 처리하는 형태의 구조

    ㄴ 단순한 명령을 조합해서 하나의 기능을 수행

    ㄴ 하나의 사이클로 명령어를 처리

    ㄴ 메모리 Load / Store 명령만 처리하는 방식

    ㄴ 파이프라이닝, 슈퍼스칼라의 사용이 가능

    ㄴ 복잡한 컴파일러 구조를 갖는다.

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📣  Memory

𝟭. Memory 란?

✔️ 기억소자(반도체) : 반도체는 특성상 전류를 흐르게도 하고 흐르지 않게도 하는 특징이 있어 이를 이용해서 임시적인 내용들을 기억하게 만드는 것

 

𝟮. 메모리 분류별 특성

✔️ 하드디스크, CD/DVD, USB 저장장치와 같은 보조 기억장치까지를 의미

➰ 보조 기억장치와 메모리의 차이는 '휘발성'

    ㄴ 메모리는 시스템이 활성화 된 상태에서 그 값을 기억하고 있지만 시스템이 꺼지게 되면 지워진다.

    ㄴ 보조 기억장치는 시스템이 꺼져도 기억하고 있는 값이 휘발되지 않는다.

 

𝟯. 메모리 성능

✔️ 메모리 속도 : 메모리가 CPU와 데이터를 주고받는 시간

➰ 액세스라 부르며 단위는 ns(10억분의 1초)

➰ 속도가 빠르다 => 메모리의 성능이 좋다

➰ 리프레시 시간

    ㄴ 메모리는 일정 시간마다 재충전을 해주지 않으면 정보가 사라지게 된다.

    ㄴ 이 일정기간을 리프레시 시간이라고 한다.

    ㄴ 메모리에서 한번 읽고 나서 다시 읽을 수 있는 사이 시간

➰ 메모리 액세스 시간

    ㄴ 데이터를 읽어오라는 명령을 받고 데이터를 읽기 시작하기까지의 시간

    ㄴ CPU에서 명령어를 처리할 때 명령어가 갖는 주소를 보내면 CPU에 그 주소에 해당하는 값을 가져 오게 되는데 걸리는 시간

➰ 사이클 시간(리프레시 시간 + 메모리 액세스 시간)

    ㄴ 메모리 작업이 완료와 동시에 대기 신호를 내놓은 후 다음 신호를 받을 준비가 되었다는 신호를 주기까지의 시간

    ㄴ 메모리 액세스 시간과 리프레시 시간을 더한 것

 

𝟰. 메모리 종류

1️⃣ 주 기억 장치

✔️ RAM(Random Access Memory)

➰ 컴퓨터의 전원이 끊어지면 내용이 휘발되기 때문에 보조 저장 장치도 반드시 필요하다.

➰ RAM의 크기는 프로그램의 수행 속도에 영향을 준다.

➰ CPU에서 직접 접근이 가능한 유일한 저장 장치이다.

➰ RAM의 종류

    ㄴ SRAM과 DRAM

    ㄴ 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.

 

2️⃣ 보조 기억 장치

✔️ 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

➰ 빛의 반사를 이용하여 자료를 읽어내는 저장 매체입니다.

➰ 1세대인 CD부터 시작해 2세대 DVD를 거쳐 3세대인 블루레이 디스크까지 존재한다.

➰  차세대 디스크로는 테라 디스크나 HVD등이 존재한다.

 

✔️ 플래시 메모리

➰  전자적으로 데이터를 지우고 쓸 수 있는 비휘발성 메모리로 충격에 강하여 휴대용 기기에 쓰인다.

➰  플래시 메모리에는 USB와 SSD가 존재하고 있으며, SSD는 HDD와 달리 디스크, 헤더와 같은 기계적 장치는 빠졌지만 저전력, 저소음, 저중량이라는 특징을 가진다.

 

𝟱. 캐시 메모리(Cache Memory)

✔️ CPU 내 또는 외에 존재하는 메모리로, 메인 메모리와 CPU 간의 데이터 속도 향상을 위한 중간 버퍼 역할을 한다.

➰ CPU 내에 존재할 수도 있고 역할이나 성능에 따라서는 CPU 밖에 존재할 수도 있다.

➰ 메인 메모리의 일정 블록 사이즈의 데이터를 담아 두었다가 CPU에 워드 사이즈 만큼의 데이터를 전송한다.

 

✔️ 캐시 메모리의 성능 결정 요소

➰ 블록사이즈나 워드 사이즈가 상대적으로 크다면 그만큼 Cache의 Hit Ratio율이 높아진다 => 성능이 좋다.

    ㄴ Cache Hit : CPU가 필요한 데이터가 Cache Memory 내에 있는 경우

    ㄴ Cache Miss : 접근하고자 하는 데이터가 없을 경우

    ㄴ 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.