[컴퓨터 구조] 컴퓨터 구조를 알아야 하는 이유

컴퓨터 구조를 알아야 하는 이유

지금껏 컴퓨터의 구성 요소와 작동 원리를 몰라도 프로그래밍 언어의 문법만 알면 프로그램을 개발하고 실행하는 데 전혀 지장이 없었기 때문이다. 다른 환경에서도 구조를 파악해 오류의 문제를 해결할 수 있다. 컴퓨터 구조는 실력 있는 개발자가 되려면 반드시 알아야 할 기본 지식이다. 문법에 맞는 코드만 작성할 줄 아는 개발자를 넘어 다양한 문제를 스스로 해결할 줄 아는 개발자로 만든다.

 

오늘은 컴퓨터의 4가지 핵심 부품에 대해 설명하겠다.

일단, 제일 먼저 컴퓨터는 하드웨어와 소프트웨어가 합쳐진 형태이다. 하드웨어란, 전자 회로 및 기계장치로 되어 있어 CPU, 기억장치, 입출력 장치 등으로 구성되며, 소프트웨어란, 하드웨어 위에서 하드웨어를 제어하며 작업을 수행하는 프로그램을 말한다. 컴퓨터의 4가지 핵심 부품으로는 CPU, 주기억장치, 보조기억장치, 입출력 장치가 있다.

 

CPU란?

컴퓨터 시스템을 이루는 구성요소로 CPU, 주기억장치인 메모리 그리고 보조 기억 장치인 Disk와 CD 등이다. 여기에 I/O(입출력 장치)까지 추가 된다면 그것을 컴퓨터를 이루는 기본 골격이라고 할 수 있는데, 이것을 제안한 사람이 폰 노이만이다. 폰 노이만이 제안한 폰 노이만 구조는, 중앙 처리 장치(CPU)라는 것이 있고 이 중앙 처리 장치를 통해서 연산을 수행하게 되는 구조이며 이 CPU(중앙처리 장치)는 각종 연산을 수행하고 기억장치에 기억되어 있는 명령어들을 수행하는 컴퓨터 시스템을 이루는 핵심 부품이다. CPU는 컴퓨터 시스템의 가장 중요한 요소이다.

 

CPU의 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.

 

CPU의 기본적인 구조

 

▶ 레지스터 (Register)
레지스터(Register)는 중앙처리장치(CPU) 내부에 있는 기억장치이다. 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

 

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

▶ 제어장치 (Control Unit, CU)
제어장치(CU)는 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 명령 해독기(instruction decoder)로 이루어져 있다.

주기억장치란?

주기억장치의 종류에는 RAM과 ROM이 있다.

 

▶ 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 않는 경우를 생각해보자.) 또한 CPU에서 직접 접근이 가능한 유일한 저장 장치이다. RAM의 종류에는 SRAM과 DRAM이 있는데, 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 보존이 된다. ROM의 종류에는 Mask ROM, PROM, EPROM, EPPROM 등이 있다.

 

보조기억장치란?

보조기억장치의 종류에는 자기 디스크, 자기 테이프, 광 디스크, 플래시 메모리 등이 있다.

 

▶ 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.

 

▶ 자기 테이프

자기 테이프(Magnetic tape)는 플라스틱 테이프 겉에 산화철 등의 자성 재료를 바른 테이프이다. 자기 테이프는 대부분 컴퓨터 기억, 오디오, 비디오를 기록하는 데에 쓰인다. 순차 접근(SASD)만 가능한 기억장치이며 속도가 느리고 저장되어 있는 데이터 이용이 불편하지만, 가격이 저렴하고 용량이 큰 까닭에 데이터 백업용으로 많이 쓰인다. 이밖에도 소리를 녹취하거나 영상을 녹화하는 데에도 사용할 수 있다.

▶ 광 디스크 (OD)
광 디스크(optical disc, OD)는 빛의 반사를 이용하여 자료를 읽어내는 저장 매체이다. 1세대인 CD부터 시작해 2세대 DVD를 거쳐 3세대인 블루레이 디스크까지 존재하고 있다. 차세대 디스크로는 테라 디스크나 HVD등이 존재한다.

▶ 플래시 메모리
전자적으로 데이터를 지우고 쓸 수 있는 비휘발성 메모리로 충격에 강하여 휴대용 기기에 널리 쓰인다. 플래시 메모리에는 USB와 SSD가 존재하고 있으며, SSD는 HDD와 달리 디스크, 헤더와 같은 기계적 장치는 빠졌지만 저전력, 저소음, 저중량이라는 특징을 가지고 있다.

 

입출력 장치란?

▶ 입력 장치
컴퓨터가 처리할 수 있는 형태로 데이터와 명령을 받아들이는 물리적인 장치이다. 입력 장치에는 다양한 물리적인 장치가 존재하고 있다. 기본적으로는 키보드와 마우스에서부터, 스캐너와 태블릿, 혹은 조이콘 같이 컴퓨터에 연결하여 무언가를 입력할 수 있는 장치를 입력 장치라고 볼 수 있다.

▶ 출력 장치
처리된 데이터를 사람이 이해할 수 있는 형태로 출력하는 물리적인 장치이다. 가장 대표적인 출력장치는 모니터로, 컴퓨터에서 나오는 글자, 그림 등의 결과를 화면에 보여주는 장치이다. 모니터의 해상도는 화면에 나타나는 그림이나 글자의 선명도를 결정하는 요소인데 실제 화면의 해상도는 모니터와 그래픽 카드에 의해 결정이 된다. 그리고 프린터 또한 출력 장치에 들어가며 전자 장비에 저장되어 있는 문서를 종이 등에 인쇄하는 장치이다.