[CS] 컴퓨터 구조

컴퓨터 구조

컴퓨터는 단순하게 말하자면 하드웨어와 소프트웨어가 합쳐진 형태입니다. 하드웨어란 전자 회로 및 기계 장치로 되어 있어 입출력 장치, 중앙처리장치(CPU), 기억장치 등으로 구성되어 있습니다.

입력 장치

입력장치는 컴퓨터가 처리할 수 있는 형태로 데이터와 명령을 받아들이는 물리적인 장치입니다. 입력 장치에는 다양한 물리적인 장치가 존재하고 있습니다. 기본적으로는 키보드와 마우스에서부터, 스캐너와 타블렛, 혹은 조이콘 같이 컴퓨터에 연결하여 무언가를 입력할 수 있는 장치를 입력 장치라고 볼 수 있습니다.

출력 장치

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

중앙처리장치

CPU의 내부 구성은 크게 산술/논리 연산 장치(ALU)와 제어 장치, 레지스터로 구성되어 있습니다. 산술은 덧셈을 수행하는 것이고, 제어 장치는 프로그램에 따라 명령과 제어 신호를 생성하여 각종 장치의 동작을 제어하는 것입니다. 그리고 레지스터는 CPU의 내부 메모리로서 CPU에서 사용하는 데이터를 일시적으로 저장하는 장소입니다.

저장 장치

저장장치는 데이터나 프로그램을 보관하기 위한 일차 기억 장치인 주 기억 장치(Memory)와 주 기억 장치를 보조하기 위한 디스크와 씨디 같은 보조 기억 장치가 존재하고 있습니다.

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 사용이 됩니다. 주 기억 장치의 종류로는 RAM과 ROM이 존재합니다.

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

CPU

컴퓨터 시스템을 이루는 구성요소로 CPU, 주기억장치인 메모리 그리고 보조 기억 장치인 디스크와 씨디 등임을 앞서 학습했습니다. 여기에 I/O((입출력장치)까지 추가 된다면 그것을 컴퓨터를 이루는 기본 골격이라고 할 수 있는데, 이것을 제안한 사람이 폰 노이만입니다.

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 부품입니다. CPU는 컴퓨터 시스템의 가장 중요한 요소이므로 이번에는 이 CPU의 구조를 알아보도록 하겠습니다.

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 (Arithmetic Logic Unit, ALU)

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

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.

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(Control Unit, CU)

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 제어신호를 보내는 명령해독기(instruction decoder)로 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 명령어들에 대하여 공통적으로 수행하며 기억 장치로부터 명령어를 읽어옵니다. 그리고 데이터 인출 및 처리, 쓰기와 같은 것들은 명령어에 따라 필요할 때만 수행합니다. 이 명령어 및 명령어 수행 과정과 처리 방식은 CPU에서 중요한 부분을 차지하고 있습니다.

명령어

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

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

명령어 수행 과정

CPU 가 하나의 명령(Operation)을 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 방식

명령어 처리 방식에는 RISC와 CISC가 있습니다. RISC(Reduced Instruction Set Computer)는 컴퓨터 내부적으로 사용하는 명령어 세트를 단순화 시켜서 처리하는 형태의 구조이며, 단순한 명령을 조합해서 하나의 기능을 수행하게 됩니다. CISC(Complex Instruction Set Computer)는 하나의 기능에 해당하는 하나의 명령이 있는 개념이라고 생각하시면 됩니다.

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 분류별 특성

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

CPU 와 가장 가까이 있는 레지스터 메모리, 캐시 메모리, 주기억 장치, 보조기억 장치는 각각 그 특성에 차이가 있습니다.

메모리 성능

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

• [리프레시 시간]
  메모리는 일정 시간마다 재충전을 해줘야 하는데, 그렇지 않으면 정보는 사라지게 됩니다. 이 일정기간을 리프레시 시간이라고 합니다. 이는 메모리에서 한번 읽고 나서 다시 읽을 수 있는 사이 시간을 말합니다.
• [메모리 액세스 시간]
  메모리 액세스 시간은 데이터를 읽어오라는 명령을 받고 데이터를 읽기 시작하기까지의 시간을 말합니다. CPU에서 명령어를 처리할 때 명령어가 갖는 주소를 보냅니다. 그러면 CPU에 그 주소에 해당하는 값을 가져 오게 되는데 걸리는 시간이 액세스 시간입니다.
• [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 의미합니다. 즉 사이클 시간은 메모리 액세스 시간과 리프레시 시간을 더한 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. 그렇기 때문에 컴퓨터 구성요소를 점검하는 BIOS와 같은 정보들을 저장합니다.

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.

캐시 메모리(Cache Memory)

캐시 메모리는 CPU 내 또는 외에 존재하는 메모리로써, 메인 메모리와 CPU 간의 데이터 속도 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 메모리의 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 Ratio율이 높아지기 때문입니다.

CPU가 필요한 데이터가 Cache Memory 내에 들어와 있으면 ‘Cache Hit’라 하고 접근하고자 하는 데이터가 없을 경우를 ‘Cache Miss’라 합니다. 이러한 원하는 데이터가 있을 수도 있고 없을 수도 있는데, 이때 원하는 데이터가 Cache에 있을 확률을 ‘Hit Ratio’라 합니다.

사이즈가 클 수록 Hit Ratio가 증가하는 이유는는 다음과 같습니다. 캐시의 경우에는 주로 메인메모리에있는 기억단위를 캐시에미리 저장해 놓기 때문에 주기억장치의 기억단위인 블록단위씩 저장해놓고 기억합니다. 하지만 CPU 워드 단위로 캐시에 데이터를 요청하므로 캐시가 주기억장치에서 꺼내서 미리 저장해놓은 블록단위가 크거나 혹은 CPU가 캐시에게 요청하는 데이터의 워드 단위가 크다면 그만큼 캐시에서 데이터를 찾아낼 확률이 높습니다.

캐시 메모리의 공간을 고려할 때, 공간 클 경우에는 데이터를 탐색할 때 데이터를 찾아야하는 공간이 많기 때문에 Cache Miss가 많이 발생하게 되어 효율이 떨어집니다. 그렇다고 해서 캐시 공간이 작으면 충분한 데이터를 저장하지 못하기 때문에 효율이 떨어집니다. 즉, 캐시는 너무 크거나 작으면 비효율적 입니다.

메모리의 기억 단위

레지스터,캐시,주기억장치, 보조기억장치는 각각의 기억단위를 자기고 있습니다. CPU의 레지스터는 워드 단위, 주기억장치는 블록 단위, 보조기억장치는 페이지 단위로 작업을 처리합니다. 여러 워드가 모여 블록이되고 블록들이 모여 페이지가 됩니다. 이때 구성되는 기억 단위의 갯수는 운영체제마다 다릅니다.