컴퓨터 공학 기초

컴퓨터의 기본 구조

mellomello.made 2022. 8. 1. 19:23

 

컴퓨터의 구조 및 기능

컴퓨터는 입력장치(Input), 출력장치(Output) 내부에는 연산을 하기 위한 중앙처리장치(CPU), 저장을 하기 위한 주 기억장치와 보조 기억장치를 가지고있다.

 

1. 입력 장치

입력 장치는 컴퓨터가 처리할 수 있는 형태로 데이터와 명령을 받아들이는 물리적인 장치다. 기본적으로는 키보드와 마우스에서부터, 스캐너와 타블렛, 혹은 조이콘 같이 컴퓨터에 연결하여 무언가를 입력할 수 있는 장치를 입력 장치를 말한다.

 

2. 출력 장치

출력장치는 처리된 데이터를 사람이 이해할 수 있는 형태로 출력하는 물리적인 장치를 의미한다. 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 결정된다.

 

3. 중앙처리장치

CPU의 내부 구성은 크게 산술/논리 연산 장치(ALU)와 제어 장치, 레지스터로 구성되어 있다.

  • 산술/논리 연산 장치(ALU):  덧셈 수행
  • 제어 장치: 프로그램에 따라 명령과 제어 신호를 생성하여 각종 장치의 동작을 제어.
  • 레지스터: CPU의 내부 메모리로서 CPU에서 사용하는 데이터를 일시적으로 저장하는 장소.

 

4. 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 장치이다. 

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 사용된다. 주 기억 장치의 종류로는 RAM과 ROM이있다.

보조 기억 장치는 그런 주 기억 장치를 보조하기 때문에 주 기억 장치에 비해 기억된 내용을 읽는 속도가 느리다. 대용량의 기억이 가능하며 현재 사용하지 않는 프로그램은 보조 기억 장치에 저장된다. 보조 기억 장치의 종류로는 플로피 디스크와 하드 디스크 같은 자기 디스크가 존재하고, CD와 DVD 같은 광 디스크, 그리고 USB와 SSD 같은 플래쉬 메모리가 있다.

 

CPU

CPU(중앙처리 장치)는 각종 연산을 수행하고 기억장치에 기억되어 있는 명령어들을 수행하는 컴퓨터 시스템을 이루는 핵심 부품으로 컴퓨터 시스템의 가장 중요한 요소이다.

CPU의 구조

산술/논리 연산 장치(ALU), 제어 장치와 레지스터 구성되어 있다. 산술은 덧셈을 수행하는 것이고, 제어 장치는 시그널을 통해서 데이터 흐름을 통제하는 것이며 레지스터는 CPU 내부의 메모리이다.

 

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 수행한다. 부동소숫연산장치(FPU)와 정수연산장치, 논리연산(AND, OR 등)장치 등이 있다.

레지스터(Register)

레지스터는 중앙처리장치 내부에 있는 기억장치이다. 산술 연산 논리창지에 의해 사용되는 범용 레지스터와 PC등 특수 목적에 사용되는 전용 레지스터로 구분할 수 있다.

레지스터의 종류

  • 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, 현재 수행중인 명령어의 내용을 임시 기억하는 명령 레지스터, 명령 레지스터에 수록된 명령을 해독하여 수행될 장치에 제어신호를 보내는 명령해독기로 이루어져 있다. 제어 장치 구현의 방식은 고정 배선 제어 방식과 Micro program 방식이있다.

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

 

CPU의 기능

CPU의 기능은 명령어와 데이터에 관련이있다. 명령어 인출 및 해독은 모든 명령어들에 대하여 공통적으로 수행하며 기억 장치로부터 명령어를 읽어온다. 그리고 데이터 인출 및 처리, 쓰기와 같은 것들은 명령어에 따라 필요할때만 수행한다. 이 명령어 및 명령어 수행 과정과 처리 방식은 CPU에서 중요한 부분을 차지하고 있다.

명령어

명령어는 시스템이 특정 동작을 수행시키는 작은 단위이다.

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

 

명령어 수행 과정

CPU 가 하나의 명령(Operation)을 처리하는 과정

  • 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

CISC

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

RISC

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