[컴퓨터 공학] 기초 1

[컴퓨터 공학] 기초 1

1. 컴퓨터 구조

컴퓨터는 단순하게 말하자면 하드웨어와 소프트웨어가 합쳐진 형태이다. 하드웨어란 전자 회로 및 기계 장치로 되어 있어 입출력 장치, 중앙처리장치(CPU), 기억장치 등으로 구성되어 있다. 소프트웨어는 그 하드웨어 위에서 하드웨어를 제어하며 작업을 수행하는 프로그램이다. 컴퓨터는 입력장치(Input), 출력장치(Output)가 갖춰져 있고, 내부에는 연산을 하기 위한 중앙처리장치(CPU), 저장을 하기 위한 주 기억장치와 보조 기억장치를 가지고 있다.

• 입력장치 : 컴퓨터가 처리할 수 있는 형태로 데이터와 명령을 받아들이는 물리적인 장치, 기본적으로는 키보드와 마우스에서부터, 스캐너와 타블렛, 혹은 조이콘 같이 컴퓨터에 연결하여 무언가를 입력할 수 있는 장치를 입력 장치라고 볼 수 있다.

• 출력장치 : 처리된 데이터를 사람이 이해할 수 있는 형태로 출력하는 물리적인 장치, 장 대표적인 출력장치는 모니터로, 컴퓨터에서 나오는 글자, 그림 등의 결과를 화면에 보여주는 장치이다. 모니터의 해상도는 모니터와 그래픽 카드에 의해 결정된다. 프린터 또한 출력장치이다.

• 중앙처리장치 (CPU : central processing unit) : CPU의 내부 구성은 크게 산술/논리 연산 장치(ALU)와 제어 장치, 레지스터로 구성되어있다. 산술은 덧셈, 제어장치는 프로그램에 따라 명령과 제어 신호를 생성하여 각종 장치의 동작을 제어, CPU의 내부 메모리로서 CPU에서 사용하는 데이터를 일시적으로 저장하는 장소이다.

• 저장장치 : 데이터나 프로그램을 보관하기 위한 일차 기억 장치인 주 기억 장치(Memory)와 주 기억 장치를 보조하기 위한 디스크와 씨디 같은 보조 기억 장치가 존재함, 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 사용됨, 주 기억 장치의 종류로는 RAM과 ROM이 존재함

  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 저장됨. 보조 기억 장치의 종류로는 플로피 디스크와 하드 디스크 같은 자기 디스크가 존재하고, CD와 DVD 같은 광 디스크, 그리고 USB와 SSD 같은 플래쉬 메모리가 존재함

1-1. CPU

CPU

CPU 의 내부 구성은 크게 산술/논리 연산 장치(ALU), 제어 장치와 레지스터로 구성되어 있다. 산술은 덧셈을 수행하는 것이고, 제어 장치는 시그널을 통해서 데이터 흐름을 통제하는 것이며 레지스터는 CPU 내부의 메모리임이 가장 기본적인 설명이다.

• 산술/논리 연산 장치(ALU : Arithmetic Logic Unit) : 산술적인 연산과 논리적인 연산을 담당하는 장치로 가산기, 보수기, 누산기, 기억 레지스터, 데이터 레지스터 등으로 구성, 캐시나 메모리로부터 읽어 온 데이터는 레지스터(Register)라는 CPU 전용의 기억장소에 저장되며, ALU는 레지스터에 저장된 데이터를 이용하여 덧셈, 곰셈 등과 같은 산술 연산을 수행, 부동소숫연산장치(FPU)와 정수연산장치, 논리연산(AND, OR 등)장치 등이 있다.

• 레지스터(Register) : 중앙처리장치(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 IR(Instruction Register), PC(Program Counter), AC(Accumulator)가 있다.

  • 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) : 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 기능은 명령어와 데이터에 관련이 있다.

명령어

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

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

CPU 가 하나의 명령(Operation)을 처리하는 과정

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

1-2. Memory

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

기억장소라는 개념에서 확장하면 저장 장소라는 개념의 하드디스크, CD/DVD, USB 저장장치와 같은 보조 기억장치까지를 의미함, 이런 보조 기억장치와 메모리의 차이는 “휘발성”인데, 메모리는 시스템이 활성화 된 상태에서 그 값을 기억하고 있지만 시스템이 꺼지게 되면(ShutDown) 지워지게 됨, 그에 비해 보조 기억장치는 시스템이 꺼져도 기억하고 있는 값이 휘발되지 않는다. 또한 저장/읽기 속도 면에서 메모리와 보조 기억장치는 현저하게 차이가 난다.

​ 레지스터 ⇔ 캐시 메로리 ⇔ 주기억장치 ⇔ 보조기어장치

저장 용량 적음 →→→→→→→→→→→→→→→→→→→ 많음

처리 속도 빠름 ←←←←←←←←←←←←←←←←←←← 느림

가 격 높음 ←←←←←←←←←←←←←←←←←←← 낮음

메모리 성능과 종류

메모리의 속도는 메모리가 CPU와 데이터를 주고받는 시간을 말한다. 이를 액세스라 부르며 단위는 ns(nano-second) – 10억분의 1초로써 메모리 속도의 기준이 된다. 메모리의 성능은 속도가 빠를 수록 성능이 좋다고 말할수 있다.

• 리프레시 시간

  메모리는 일정 시간마다 재충전을 해줘야 하는데, 그렇지 않으면 정보는 사라지게 된다. 이 일정기간을 리프레시 시간이라고 한다. 이는 메모리에서 한번 읽고 나서 다시 읽을 수 있는 사이 시간을 말함

• 메모리 액세스 시간

  메모리 액세스 시간은 데이터를 읽어오라는 명령을 받고 데이터를 읽기 시작하기까지의 시간, CPU에서 명령어를 처리할 때 명령어가 갖는 주소를 보낸다. 그러면 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 의미, 즉 사이클 시간은 메모리 액세스 시간과 리프레시 시간을 더한 것이다.

• 주기억 장치 : RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory)
• 보조기억 장치 : 자기 디스크, 광 디스크, 플래시 메모리

캐시 메모리(Cache Memory)

캐시 메모리는 CPU 내 또는 외에 존재하는 메모리로써, 메인 메모리와 CPU 간의 데이터 속도 향상을 위한 중간 버퍼 역할

여기서 ‘Cache’라는 의미는 보관이나 저장의 의미를 가지고 있다. 캐시 메모리는 이러한 역할을 하는 물리적 장치를 말한다. 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 해준다. 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 생각하면 된다.

캐시 메모리의 성능 결정 요소

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.