컴퓨터 구조(Computer architecture)

컴퓨터 구조

컴퓨터는 하드웨어(Hardware) 와 소프트웨어(Software)가 결합된 시스템으로, 정보를 처리하고 다양한 작업을 수행할 수 있도록 설계되어 있습니다.

하드웨어(Hardware)

하드웨어는 컴퓨터를 구성하는 물리적인 장치들을 의미하며, 다음과 같은 주요 구성 요소로 이루어집니다.

중앙처리장치(CPU, Central Processing Unit)

컴퓨터의 두뇌 역할을 하며, 연산 및 제어 기능을 수행합니다. 산술 논리 연산장치(ALU)와 제어장치(Control Unit)로 구성됩니다.

메모리(Memory)

데이터를 저장하고 처리하는 공간입니다. RAM, ROM, 캐시, 레지스터 등이 있으며, 각각 속도와 용도에 따라 구분됩니다.

입출력 장치(I/O Devices)

사용자와 컴퓨터 간의 상호작용을 담당합니다. 예: 키보드, 마우스, 모니터, 프린터 등이 있습니다.

보조기억장치(Storage)

데이터를 장기적으로 저장하는 장치입니다. HDD, SSD, USB 등이 이에 해당됩니다.

소프트웨어(Software)

소프트웨어는 하드웨어를 제어하고, 사용자가 원하는 작업을 수행할 수 있도록 하는 프로그램의 집합입니다. 크게 다음과 같이 나뉩니다.

운영체제(OS, Operating System)

하드웨어와 소프트웨어를 중재하는 역할을 하며, 시스템 자원을 관리합니다. 예: Windows, Linux, macOS 등

응용 프로그램(Application Software)

사용자가 직접 사용하는 소프트웨어로, 특정 작업을 수행합니다. 예: 웹 브라우저, 워드 프로세서, 게임 등

시스템 소프트웨어(System Software)

하드웨어를 직접 제어하고 응용 소프트웨어가 원활히 작동할 수 있도록 지원합니다. 운영체제나 드라이버 등이 여기에 해당됩니다.

CPU

컴퓨터 시스템은 기본적으로 중앙 처리 장치(CPU), 주기억장치(RAM), 보조 기억 장치(디스크, CD 등), 그리고 입출력 장치(I/O Devices)로 구성됩니다. 이 구성 요소들은 컴퓨터의 기본 골격을 형성하며, 이러한 구조를 폰 노이만 구조(Von Neumann Architecture)라고 부릅니다.

폰 노이만 구조란?

폰 노이만 구조는 존 폰 노이만(John von Neumann)이 1945년에 제안한 컴퓨터 구조로, 현재 대부분의 컴퓨터 시스템이 이 구조를 기반으로 하고 있습니다. 이 구조의 가장 큰 특징은 다음과 같습니다.

프로그램 내장 구조(Stored Program Concept)

프로그램(명령어)과 데이터가 동일한 기억장치(메모리)에 저장됨
CPU가 메모리에서 명령어를 순차적으로 읽고 실행함

단일 버스 구조

명령어와 데이터가 하나의 버스를 통해 전달되어 병목 현상(Von Neumann Bottleneck)이 발생할 수 있음

CPU(Central Processing Unit)의 구조 및 역할

CPU는 컴퓨터 시스템의 핵심 부품으로, 다음과 같은 역할을 합니다.

명령어 해석 및 실행

주기억장치에 저장된 명령어를 읽어 들여 해석하고 실행

산술 및 논리 연산 수행

계산 및 논리적인 판단 수행

제어 기능 수행

프로그램의 흐름을 제어하고, 다른 장치와의 통신을 조율

CPU의 주요 구성 요소

연산 논리 장치(ALU : Arithmetic Logic Unit)

산술/논리 연산 장치는 산술적인 연산과 논리적인 연산을 담당하는 장치로 가산기, 보수기, 누산기, 기억 레지스터, 데이터 레지스터 등으로 구성됩니다.
캐시나 메모리로부터 읽어온 데이터는 레지스터(Register)라는 CPU 전용의 기억장소에 저장되며, ALU는 레지스터에 저장된 데이터를 이용하여 덧셈, 곱셈 등과 같은 산술 연산을 수행합니다.
부동소숫연산장치(FPU)와 정수연산장치, 논리연산(AND, OR 등) 장치 등이 있습니다.

제어 장치(Control Unit)

제어장치는 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 제어 신호를 보내는 명령해독기(instruction decoder)로 이루어져 있습니다.

<제어 장치 구현 방식>

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

레지스터(Register)

레지스터(Register)는 중앙처리장치(CPU) 내부에 있는 기억장치입니다.
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 있습니다.

버스(Bus)

CPU와 메모리 및 I/O 장치 간 데이터 전송 통로

CPU의 기능

CPU는 기억장치에 저장된 명령어를 인출하고 해독한 뒤, 명령어에 따라 필요한 경우에만 데이터 인출이나 연산, 결과 저장 등의 작업을 수행합니다. 명령어 처리 과정은 모든 명령어에서 공통적으로 인출과 해독을 거치며, 실행 단계에서는 명령어의 종류에 따라 동작이 달라지기 때문에 이는 CPU의 핵심 기능이자 컴퓨터 시스템의 작동 원리를 이루는 중요한 역할을 합니다.

명령어

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

동작코드(Op-code): 각 명령어의 실행 동작을 구분하여 표현합니다.
오퍼랜드(Operand): 명령어의 실행에 필요한 자료나 실제 자료의 저장 위치를 의미합니다.

<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(Complex Instruction Set Computer)

여러 사이클로 명령어를 처리한다.
많은 명령어가 메모리를 참조하는 방식이다.
파이프라이닝의 사용이 어렵다.
복잡한 마이크로 프로그램 구조를 갖고있다.

RISC(Reduced Instruction Set Computer)

하나의 사이클로 명령어를 처리한다.
메모리 Load / Store 명령만 처리하는 방식이다.
파이프라이닝, 슈퍼스칼라의 사용이 가능하다.
복잡한 컴파일러 구조를 갖고 있다.

Memory

컴퓨터에서 말하는 메모리는 데이터를 저장하고 처리하는 장치로, 기본적으로 기억소자라 불리는 반도체로 구성되어 있습니다. 반도체는 전류를 흐르게 하거나 차단할 수 있는 특성을 가지며, 이러한 특성을 이용해 0과 1의 디지털 신호를 표현하고 임시적으로 정보를 저장할 수 있습니다. 메모리는 주로 RAM과 같이 전원이 꺼지면 데이터가 사라지는 휘발성 메모리와, ROM처럼 전원을 꺼도 내용이 유지되는 비휘발성 메모리로 나뉩니다. 이러한 메모리는 CPU가 명령어를 빠르게 처리할 수 있도록 데이터를 임시로 저장하거나 불러오는 역할을 하며, 컴퓨터 시스템의 성능에 큰 영향을 미칩니다.

메모리 분류별 특성

보조기억장치와 메모리의 차이는 휘발성 입니다. 메모리는 시스템이 활성화 된 상태에서는 그 값을 기억하고 있지만 시스템이 꺼지게 되면 지워지게 됩니다. 그에 비해 보조 기억장치는 시스템이 꺼져도 기억하고 있는 값이 휘발되지 않습니다.

메모리 성능

메모리의 속도는 메모리가 CPU와 데이터를 주고받는 시간을 의미합니다. 이를 액세스라고 부르며, 단위는 ns(나노초, nano-second)로 10억 분의 1초를 나타내며 메모리 속도의 기준이 됩니다. 메모리의 속도는 빠를수록 성능이 좋다고 말할 수 있습니다.

리프레시 시간이 일정 시간을 “리프레시 시간”이라고 합니다. 이는 메모리에서 한 번 읽고 나서 다시 읽을 수 있기까지의 시간을 의미합니다.
메모리는 일정 시간마다 재충전을 해줘야 하며, 그렇지 않으면 저장된 정보가 사라지게 됩니다.
메모리 액세스 시간
메모리 액세스 시간은 데이터를 읽어오라는 명령을 받은 후, 실제로 데이터를 읽기 시작할 때까지 걸리는 시간을 말합니다. CPU가 명령어를 처리할 때 해당 명령어에 포함된 주소를 메모리에 전달하게 됩니다. 이후 메모리는 해당 주소에 저장된 값을 CPU로 전달하는데, 이 전체 과정에 걸리는 시간이 액세스 시간입니다.
사이클 시간 (리프레시 시간 + 메모리 액세스 시간)
사이클 시간은 메모리 작업이 완료된 후, 다음 명령을 받을 준비가 되었다는 신호를 보낼 때까지의 시간을 의미합니다. 즉, 사이클 시간은 메모리 액세스 시간과 리프레시 시간을 더한 값입니다.

메모리 종류

주기억장치

RAM (Random Access Memory)

RAM은 컴퓨터의 전원이 꺼지면 저장된 내용이 모두 사라지는 휘발성 메모리이기 때문에, 데이터를 영구적으로 저장하기 위해서는 보조 저장 장치가 반드시 필요합니다. RAM의 크기는 프로그램의 수행 속도에 직접적인 영향을 주며, CPU가 직접 접근할 수 있는 유일한 저장 장치입니다. RAM은 크게 SRAM과 DRAM으로 나뉘는데, SRAM은 리프레시가 필요 없고 전력 소모가 적지만 가격이 비싸며, DRAM은 리프레시가 필요하지만 저렴하고 일반적으로 더 널리 사용됩니다.

ROM (Read Only Memory)

ROM은 대부분 읽기만 가능한 저장 장치로 구성되어 있으며, 전원이 꺼져도 저장된 내용이 유지되는 비휘발성 메모리입니다.

보조기억장치

자기 디스크

자기 디스크는 원판 표면에 있는 자성 물질의 입자 방향(북극과 남극)으로 0과 1을 표현하는 저장 매체입니다. 디스크 드라이브는 이러한 자기 디스크로부터 데이터를 읽거나 쓰는 주변 장치를 의미합니다. 자기 디스크에는 플로피 디스크(FDD)와 하드 디스크(HDD)가 있습니다.

광 디스크

광 디스크(optical disc, OD)는 빛의 반사 특성을 이용해 데이터를 읽는 저장 매체입니다. 1세대인 CD를 시작으로, 2세대인 DVD, 3세대인 블루레이 디스크까지 발전해 왔습니다. 차세대 디스크로는 테라 디스크나 HVD 등이 존재합니다.

플래시 메모리

플래시 메모리는 전자적으로 데이터를 삭제하고 다시 쓸 수 있는 비휘발성 메모리입니다. 충격에 강하고 전력이 적게 들어 휴대용 기기에 널리 사용됩니다. 플래시 메모리에는 USB와 SSD가 있으며, SSD는 하드디스크처럼 기계적 부품이 없고 디스크나 헤더도 존재하지 않지만, 저전력, 저소음, 저중량이라는 특징을 가지고 있습니다.

캐시 메모리(Cache Memory)

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

Cache Hit : CPU가 필요한 데이터가 Cache Memory 내에 들어와 있는 경우
Cache Miss : 접근하고자 하는 데이터가 없을 경우
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.