[CS] 컴퓨터 구조 (1) : 기본 구성요소

컴퓨터의 기본 구조

• 사용자 (User) : 컴퓨터를 사용하는 사람
• 응용 소프트웨어 (Application Software) : 특정 목적을 가진 유저가 직접 사용하는 소프트웨어
• 시스템 소프트웨어 (System software) : 애플리케이션 소프트웨어 실행 환경을 제공하는 소프트웨어
• 하드웨어 (Hardware) : 일 처리를 실제로 하는 장치

 

사용자와 컴퓨터 간 상호작용 단계

 

컴퓨터 시스템의 구성

• 소프트웨어 : 하드웨어의 동작을 지시하고 제어하는 명령어 집합
• 하드웨어 : 컴퓨터를 구성하는 기계적 장치

 

소프트웨어 (Software)

좁은 의미의 SW : 프로그램은 컴퓨터가 일을 처리하기 위해 컴퓨터가 이해할 수 있는 언어로 작성한 명령어 (command)들의 집합 (정보/데이터 이동 및 처리하는 방법(종류, 순서, 시간) 등을 지정하는 명령어들의 집합)

넓은 의미의 SW : 프로그램 + 데이터 + 관련 문서

 

컴퓨터 SW의 분류

 

• 시스템 소프트웨어 : 운영체제, 컴파일러 등
• 응용 소프트웨어 : 워드프로세서, 스프레드시트 등

 

하드웨어 (Hardware)

하드웨어는 중앙처리장치 (CPU), 기억장치, 입출력장치로 구성되어 있고, 이들은 시스템 버스로 연결되어 있으며, 시스템 버스는 데이터와 명령 제어 신호를 각 장치로 실어나르는 역할을 한다.

 

컴퓨터 HW의 기본 구성요소

 

• 중앙처리장치 (CPU)
• 기억장치 : RAM, HDD 등
• 입출력 장치 : 마우스, 모니터, 프린터 등

 

컴퓨터 HW의 기본 구성요소

중앙처리장치 (CPU : Central Processing Unit)

인간으로 따지면 두뇌에 해당하는 부분으로 프로세서(processor)라고도 불리며, 컴퓨터 시스템에 부착된 모든 장치의 동작을 제어하고 명령을 실행한다. 즉, 메모리에서 명령어를 가지고 와서 명령어대로 실행하는 작업을 빠르게 반복한다. 개인용 컴퓨터와 같은 소형 컴퓨터에서는 CPU를 마이크로프로세서라고도 부른다.

 

중앙처리장치의 구성 : 제어장치, 연산장치, 레지스터, CPU 내부버스

중앙처리장치는 비교와 연산을 담당하는 산술논리연산장치(ALU)와 명령어의 해석과 실행을 담당하는 제어장치, 속도가 빠른 데이터 기억장소인 레지스터로 구성되어 있다. 다시 말하면, 중앙처리장치는 주기억장치에서 프로그램 명령어와 데이터를 읽어와 처리하고, 명령어의 수행 순서를 제어한다.

 

	특징
산술논리연산장치 (ALU)	산술연산과 논리연산 수행한다. 연산에 필요한 데이터를 레지스터에서 가져오고, 연산 결과를 다시 레지스터로 보낸다.
제어장치	명령어를 순서대로 실행할 수 있도록 제어하는 장치이다. 주기억장치에서 프로그램 명령어를 꺼내 해독하고, 그 결과에 따라 명령어 실행에 필요한 제어 신호를 기억장치, 연산장치, 입출력장치로 보내며, 이들 장치가 보낸 신호를 받아 다음에 수행할 동작을 결정한다.
레지스터	고속 기억장치로써, 명령어 주소, 코드, 연산에 필요한 데이터, 연산 결과 등을 임시로 저장한다. 중앙처리장치 종류에 따라 사용할 수 있는 레지스터 개수와 크기가 다르며, 용도에 따라 범용 레지스터와 특수목적 레지스터로 구분된다. - 범용 레지스터 : 연산에 필요한 데이터나 연산 결과를 임시로 저장 - 특수목적 레지스터 : 특별한 용도로 사용하는 레지스터    MAR (메모리 주소 레지스터) : 읽기와 쓰기 연산을 수행할 주기억장치 주소 저장    PC (프로그램 카운터) : 다음에 수행할 명령어 주소 저장    IR (명령어 레지스터) : 현재 실행 중인 명령어 저장    MBR (메모리 버퍼 레지스터) : 주기억장치에서 읽어온 데이터 or 저장할 데이터 임시 저장    AC (누산기) : 연산 결과 임시 저장

 

기억장치

프로그램, 데이터, 연산의 중간 결과를 저장하는 장치이다. RAM과 ROM도 이곳에 해당하며, 실행중인 프로그램과 같은 프로그램에 필요한 데이터를 일시적 또는 영구적으로 보존한다.

 

기억장치의 분류 : 주기억장치, 보조기억장치 

 

	주기억장치
목적	CPU 가까이 위치하여 CPU가 처리할 프로그램과 데이터를 일시적으로 저장한다.
특징	반도체 기억장치 칩들로 구성되어있다. 가격이 비싸고, 저장할 때 면적을 많이 차지한다. 고속 엑세스가 가능하다. (RAM : Random Access Memory) 전원 공급이 중단되면 기억된 내용이 지워지므로 일시적 저장만 가능하다. (Volatile Memory)

	보조기억장치
목적	하드디스크 등을 말하며, 많은 자료를 영구적으로 보관한다.
특징	2차 기억장치로 주기억장치에 비해 읽기/쓰기 속도가 느리다. 많은 자료를 영구적으로 보관할 수 있는 장점이 있다. 저장 밀도가 높고, 비트 당 가격이 낮다.

기억장치의 반비례 관계

 

입출력장치

사용자와 컴퓨터간의 대화를 위한 입력 및 출력 장치이다.

 

• 입력 장치 : 컴퓨터 내부로 자료를 입력하는 장치 (키보드, 마우스 등)
• 출력 장치 : 컴퓨터에서 외부로 표현하는 장치 (프린터, 모니터, 스피커 등)

 

시스템 버스

하드웨어 구성 요소를 물리적으로 연결하는 선으로써, CPU와 시스템 내의 다른 요소들 사이에 정보를 교환하는 통로이다. 즉, 각 구성요소가 다른 구성요소로 데이터를 보낼 수 있도록 통로가 되어준다.

 

 

시스템 버스의 기본 구성 : (용도에 따라) 주소 버스, 데이터 버스, 제어 버스

 

	특징
주소 버스	데이터를 정확히 실어나르기 위해서는 기억장치의 주소를 정해주어야 하며, 이 때 CPU가 외부로 발생하는 주소 정보를 전송하는 신호 선들의 집합이다. 중앙처리장치가 주기억장치나 입출력장치로 기억장치 주소를 전달하는 통로이기 때문에 '단방향' 버스이다. 주소 선의 수는 CPU와 접속될 수 있는 최대 기억장치 용량을 결정한다.
데이터 버스	중앙처리장치와 기타 장치 사이에서 데이터를 전달하는 통로로써, CPU가 기억장치 혹은 I/O 장치와의 사이에 데이터를 전송하기 위한 신호 선들의 집합이다. 기억장치와 입출력장치의 명령어와 데이터를 중앙처리장치로 보내거나, 중앙처리장치의 연산 결과를 기억장치와 입출력장치로 보내는 '양방향' 버스이다. 데이터 선의 수는 CPU가 한 번에 전송할 수 있는 비트 수를 결정한다.
제어 버스	주소 버스와 데이터 버스는 모든 장치에 공유되기 때문에 이를 제어할 수단이 필요한데, 이 때 CPU가 시스템 내의 각종 요소들의 동작 제어를 위한 신호 선들의 집합이다. 중앙처리장치가 기억장치나 입출력장치에 제어 신호를 전달하는 통로이며, 읽기 동작과 쓰기 동작을 모두 수행하기 때문에 '양방향' 버스이다. 제어 신호 종류 : 기억장치 읽기 및 쓰기, 버스 요청 및 승인, 인터럽트 요청 및 승인, 클락, 리셋 등

 

CPU와 기억장치 간 접속

 

필요한 버스 및 제어신호 : 주소버스, 데이터 버스, 제어 신호(기억장치 읽기 신호, 기억장치 쓰기 신호)

CPU와 기억장치 간 접속 과정

컴퓨터는 기본적으로 읽고 처리한 뒤 저장하는 과정으로 이루어진다. (READ → PROCESS → WRITE)

이 과정을 진행하면서 끊임없이 주기억장치(RAM)과 소통한다. 이때 운영체제가 64bit라면, CPU는 RAM으로부터 데이터를 한번에 64비트씩 읽어온다.