[컴퓨터 공학] 컴퓨터 구조

코드스테이즈 41기 교육 내용을 정리하고 있습니다.
틀린 부분이 있으면 댓글로 알려주시면 감사하겠습니다

컴퓨터 구조

컴퓨터의 기본 구성 요소

• 입력장치 (Input)
  • 컴퓨터가 데이터와 명령을 받아들이는 물리적장치이다. 흔히 볼수있는 마우스, 키보드 등처럼 컴퓨터에 연결하여 무언가를 입력할 수 있는 장치를 말한다.
• 출력장치 (Output)
  • 컴퓨터가 처리된 데이터를 사람이 이해할 수 있는 형태로 출력하는 물리적 장치이다. 모니터, 프린터, 스피커 등이 출력 장치에 포함된다.
• 중앙처리장치(CPU)
  • CPU의 내부 구성은 산술/논리 연산 장치와 제어장치, 레스터로 구성되어 있다.연산 장치는 덧셈을 수행하고, 제어장치는 프로그램에 따라 명령과 제어 신호를 생성하여 각종 장치의 동작을 제어한다. 레지스터는 CPU의 내부 메모리로 CPU에서 사용하는 데이터를 일시적으로 저장하는 장소이다.
• 저장장치
  • 데이터나 프로그램을 보관하기 위한 일차 기억 장치인 주 기억 장치와 이를 보조하기위한 디스크, 시디와 같은 보조 기억장치가 있다.
  • 프로그램 수행을 우히나 필요한 정보에 비해 중앙처리장치 내에 구비 되어 있는 레지스터의 용량이 너무 작기 때문에, 주 기억장치는 주로 정보를 저장해 두었다가 필요할 때 읽어들이는 저장소로 사용된다. 주 기억 장치는 RAM과 ROM이 존재한다.
  • 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 저장이 됩니다

CPU

CPU의 구조

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

산술/논리 연산 장치(ALU)

산술적인 연산과 논리적인 연산을 담당하는 장치로 가산기, 보수기, 누산기, 기억 레지스터, 데이터 레지스터 등으로 구성된다. 캐시나 메모리로부터 읽어온 데이터는 레지스터라는 CPU 전용의 기억장소에 저장되며, ALU는 레지스터에 저자오딘 데이터를 이용하여 덧셈, 곱셈 등과같운 산술 연산을 수행한다.

레지스터

CPU의 내부에 있는 기억장치 이다.

주로 산술 논리연산에 의해 사용되는 범용 레지스터와 PC등 특수 목적에 사용되는 전용 레지스터가 있다.

 

레지스터의 종류는 IR(Instruction Register), PC(Program Counter), AC(Accumulator)가 있습니다.

• 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 (CU)

제어장치는 CPU가 자신 및 주변기기들을 컨트롤하는 장치로, 프로그램의 수행 순서를 제어하는 프로그램 계수기, 현재 수행중인 명령어의 내용을 임시 기억하는 명령 레지스터, 명령 레지스터에 수록된 명령을 해독하여 수행될 장치에 제어신호를 보내는 명령해독기로 이루어져 있습니다.

 

제어 장치 구현의 방식은 고정 배선 제어(Hardwired) 방식과 Micro Program 방식이 있습니다.

CPU의 기능

CPU의 기능은 명령어와 데이터에 관련이 있습니다. 명령어 인출 및 해독은 모든 명형어들에 대하여 공통적으로 수행하며 기억장치로부터 명령어를 읽어옵니다. 그리고 데이터 인출 및 처리, 쓰기와 같은 것들은 명령어에 따라 필요한 때만 수행합니다.

명령어

명령어는 시스템이 특정 동작을 수행 시키는 작은 단위 입니다. 명령어는 코드로 되어 있고, 동작코드와 오퍼랜드로 구분된다.

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

명령어 수행 과정

CPU가 하나의 명령을 처리하는 과정은 다음과 같습니다.

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

명령어 처리 방법

컴퓨터 내부적으로 사용하는 명령어 세트를 단순호 시켜서 처리하는 형태의 RISC(Reduced Instruction Set Computer)와 하나의 기능에 해당하는 하나의 명령이 있는 개념의 CISC(Complex Instruction Set Computer)가 있다.

 

CISC

• 여러 사이클로 명령어를 처리합니다.
• 많은 명령어가 메모리를 참조하는 처리 방식입니다.
• 파이프라이닝의 사용이 어렵습니다.
• 복잡한 마이크로 프로그램 구조를 갖고 있습니다.

RISC

• 하나의 사이클로 명령어를 처리합니다.
• 메모리 Load / Store 명령만 처리하는 방식입니다.
• 파이프라이닝, 슈퍼스칼라의 사용이 가능합니다.
• 복잡한 컴파일러 구조를 갖고 있습니다.

Memory

일반적으로 메모리라고 하면 기억이라는 개념입니다. 컴퓨터에서 말하는 메모리는 기억소자 즉 반도체를 의미하는데, 반도체는 특성상 전류를 흐르게도 하고 흐르지 않게도 하는 특징이 있어 이를 이용해서 임시적인 내용들을 기억하게 만드는 것입니다.

메모리 종류

메모리 중 주 기억 장치의 종류로는 RAM과 ROM가, 보조 기억 장치의 종류로는 자기 디스크, 광디스크, 플래시 메모리가 있습니다.

주기억장치

RAM(Random Access Memory)

• 컴퓨터의 전원이 끊어지면 내용이 휘발되어 보조 저장 장치가 반드시 필요합니다. RAM의 크기는 프로그램의 수행 속도에 영향을 줍니다. (RAM의 크기가 작으면 게임이 잘 돌아가지 않는 경우를 생각해보세요.) 또한 CPU에서 직접 접근이 가능한 유일한 저장 장치입니다.
• RAM의 종류에는 SRAM과 DRAM이 있는데, SRAM은 리프레쉬가 필요 없고 전력 소모가 적으나 비싸며, DRAM은 리프레쉬가 필요하고 SRAM보다 저가이며 많이 사용되는 편입니다.

ROM(Read Only Memory)

• 대부분 읽을 수만 있는 장치로 구성되어 있으며 전원이 끊겨도 내용이 보존이 됩니다.

보조기억장치

자기 디스크

• 원판 표면의 철 입자의 방향(N/S극)으로 0과 1을 표현합니다. 디스크 드라이브는 자기 디스크로부터 데이터를 읽는 주변 장치를 의미합니다.
• 자기 디스크에는 플로피 디스크(FDD)와 하드 디스크(HDD)가 존재합니다.

광 디스크

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

플래시 메모리

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

캐시메모리

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

 

여기서 ‘Cache’라는 의미는 보관이나 저장의 의미를 가지고 있습니다. 캐시 메모리는 이러한 역할을 하는 물리적 장치를 말합니다. CPU와 메인 메모리 사이에 존재한다고 말할 수 있는데, CPU 내에 존재할 수도 있고 역할이나 성능에 따라서는 CPU 밖에 존재할 수도 있습니다.

특히 빠른 CPU 의 처리속도와 상대적으로 느린 메인 메모리에서의 속도의 차이를 극복하는 완충 역할을 해줍니다. 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 생각해주시면 됩니다.

캐시 메모리 성능 결정 요소

캐시 메모리는 메인 메모리의 일정 블록 사이즈의 데이터를 담아 두었다가 CPU에 워드 사이즈 만큼의 데이터를 전송하게 됩니다. 이때 이 사이즈들이 캐시의 성능에 영향을 미치게 되는데, 블록사이즈나 워드 사이즈가 상대적으로 크다면 그만큼 Cache의 Hit Batio율이 높아지기 때문입니다.

 

CPU가 필요한 데이터가 Cache Memory 내에 들어와 있다면 Cache Hit라 하고 없는 경우 Cache Miss라 합니다.

원하는 데이터가 Cache에 있는 확률을 Hit Ratio라고 합니다