[컴퓨터구조] 컴퓨터구조 전체 요약

📌 컴퓨터구조

• 참고 강의 : 혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제

컴퓨터 구조 시작하기

• 중요한 요소들 : 성능, 용량, 비용
• 컴퓨터가 이해하는 정보 : 데이터, 언어

데이터

• 숫자, 문자, 이미지, 동영상과 같은 정적인 정보
• 컴퓨터는 0과 1로 이루어진 데이터만 이해할 수 있다.

명령어

• 컴퓨터를 실질적으로 움직이는 정보
• 데이터는 명령어를 위한 일종의 재료 ex. 명령어 : 1과 2를 더해라
  • 데이터 : 1, 2

컴퓨터의 4가지 핵심 요소

• CPU, 메모리(주기억장치), 보조기억장치, 입출력장치
• CPU, Central Processing Unit(중앙처리 장치)
  • 컴퓨터 시스템을 통제하고 프로그램의 연산을 실행하는 컴퓨터의 제어 장치
• 메모리
  • 현재 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장한다.
  • 메모리에 저장된 값을 효율적으로 접근하기 위해 주소(address) 개념 사용
  • RAM(Random Access Memory) : 휘발성, 작업 중인 파일을 한시적으로 저장한다. 전원이 차단되면 데이터가 사라진다. 일반적으로 메모리는 RAM을 지칭한다.
  • ROM(Read Only Memory) : 비휘발성, 컴퓨터에 지시사항을 영구하게 저장한다. 전원이 차단되어도 데이터가 사라지지 않는다.
• 보조기억장치 : 주기억장치보다 느리지만, 데이터를 영구적으로 보관할 수 있는 장치
  • HHD(Hard Disk Driver), SSD(Solid State Driver)
  • 메모리는 실행할 정보를 저장하고, 보조기억장치는 보관할 정보를 저장한다.
• 입출력장치 : 컴퓨터 외부에 연결되어 컴퓨터 내부와 정보를 교환할 수 있는 부품

 

• 메인 보드(Main board)
  • 컴퓨터의 핵심 부품들을 연결한다.
  • 메인 보드의 부품들은 버스(bus)라는 통로를 이용해서 정보를 주고받을 수 있다.
• 시스템 버스
  • 메인 메모리와 마이크로프로세서 사이 데이터를 전달하기 위해 사용되는 커넥터와 케이블로 구성된 통로
  • 컴퓨터 시스템의 주요 부품 사이에서 데이터와 제어 시그널을 위한 통신을 제공한다.
  • 구성 요소 : address bus(주소 버스), control bus(제어 버스), data bus(데이터 버스)
  • 주소 버스
    • CPU가 주기억 장치나 입출력 장치로 기억장치 주소를 전달하는 통로.
    • 단방향 버스(주소만 전달)
    • 물리적 주소를 찾는 목적으로 사용.
    • 모든 주소 버스는 bit 형태로 CPU 또는 DMA(Direct Memory Access)에 의해 사용
  • 제어 버스
    • CPU에 의해 사용되고, 컴퓨터 내에 포함된 장치들과의 통신에 사용된다.
    • 데이터 버스와 주소 버스를 제어하기 위해 제어 신호들을 전송하는 통로
    • 양방향 버스(읽기, 쓰기 동작 모두 수행)
  • 데이터 버스
    • 데이터 전달에 사용
    • 양방향 버스

CPU 구성 요소

• ALU(Arithmetic and Logical Unit)
  • 산술논리연산장치
  • 사칙연산 같은 두 숫자의 산술 연산 계산
  • 배타적 논리합, 논리곱, 논리합 같은 논리 연산 계산
• 제어 장치(Control Unit, CU)
  • 프로세서의 조작을 지시하는 CPU 의 한 요소
  • 제어 신호를 보내고, 명령어들을 읽고 해석, 데이터 처리를 위한 시퀀스를 결정
  • 제어 신호 : 메모리 읽기 or 메모리 쓰기
• 레지스터(Register)
  • CPU 내부에 위치한 고속 메모리
  • 바로 사용할 수 있는 데이터를 담고 있는 영역
  • PC, Program Counter(프로그램 카운터)
    • 메모리에서 가져올 명령어의 주소
  • IR, Instruction Register(명령어 레지스터)
    • 해석할 명령어(메모리에서 방금 가져온 명령어)
  • MAR, Memory Address Register(메모리 주소 레지스터)
    • 메모리의 주소를 저장
  • MBR, Memory Buffer Register(메모리 버퍼 레지스터)
    • 메모리와 주고받을 값(데이터 명령어)
  • 플래그 레지스터
    • 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보
  • 범용 레지스터
    • 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용
    • EAX(Accumulator), EBX(Base), ECX(Counter), EDX(Data)...
  • 스택 포인터
    • 스택 주소 지정에 사용, 스택의 top
  • 베이스 레지스터
    • 기존 주소 지정에 사용

명령어 실행 예시

• 제어 장치는 1번지의 명령어를 읽기 위해서 메모리에 읽기 제어 신호를 보낸다.

• 메모리는 1번지에 있는 명령어를 CPU 에게 전달, 이 명령어는 레지스터에 전달된다.
• 레지스터에 들어온 명령어를 제어장치가 해석한다.
• 레지스터에 있는 명령어(3번지와 4번지를 더하기)에서 3번지와 4번지의 데이터를 얻기 위해 메모리에 메모리 읽기 제어 신호를 보낸다.

• 메모리에서 3번지와 4번지의 데이터를 CPU 에게 전달, 각각 레지스터에 데이터가 저장된다.
• ALU 에서 레지스터에 있는 데이터로 계산
• 계산한 결과 값은 레지스터에 저장된다.
• 명령어 실행 종료

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데이터 표현

• 정보(information) : 가공된 데이터를 의미한다. 어떤 사물에 대한 소식이나 자료
• 데이터(data) : 가공되지 않은 데이터.
• 정보 단위

• 워드(word)
  • CPU 가 한 번에 처리할 수 있는 정보의 크기 단위
• 이진법(Binary)
  • 0과 1로 수를 표현하는 방법
  • 숫자가 1을 넘어가는 시점에 자리
  • 2의 보수(음수 표현) : 모든 0과 1을 뒤집고 1을 더한다.
  • ex. 11(2) = 00(2) = 01(2)
  • 양수인지 음수인지 구분하는 방법? : CPU에 있는 레지스터인 플래그(flag)로 구분한다.
  • 접두어 : 0b

• 16진법(Hexadecimal)
  • 십진법보다 이진수와의 변환이 간단해서 사용
  • 십진수 : 16 = 16진수 : 10
  • 접두어 : 0x

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문자 집합(Character Set)

• 컴퓨터가 이해할 수 있는 문자의 모음
• 인코딩(Encoding) : 코드화 => 문자를 0, 1으로 이루어진 문자 코드로 변환
• 디코딩(Decoding) : 코드 해석 => 0, 1으로 이루어진 문자 코드를 문자로 변환

아스키 코드(ASCII : American Standard Code for Information Interchange)

• 알파벳, 아라비아 숫자, 일부 특수 문자 및 제어 문자
• 정보 교환용 7비트 부호 체계
• 8 비트 중 1비트는 오류 검출을 위해 사용되는 패리티 비트(Parity Bit)
• 7 비트로 하나의 문자 표현 : 2^7 = 총 128개의 부호 사용

유니코드(Unicode)

• 전 세계의 모든 문자 집합
• 인코딩 방식 : utf-8, utf-16, utf-32

UTF-8

• Unicode Transformation Format
• 가변 길이 인코딩 : 한 글자가 1~4바이트 중 하나로 인코딩 될 수 있다.

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고급 언어와 저급 언어

• 고급 언어(High-Level Language)
  • 사람 중심 언어
  • 실행을 위한 번역이 필요하다.
  • 컴파일 언어, 인터프리터 언어
• 저급 언어(Low-Level Language)
  • 기계 중심 언어
  • 빠른 실행 속도
  • 기계마다 다른 코드를 가진다.
  • 기게어(Machine Language) : 0과 1로 이루어진 언어
  • 어셈블리어(Assembly Language) : 0과 1로 이루어진 기계어를 읽기 편한 형태로 번역한 언어
    • push rbp, pop rbp, ret

컴파일 언어

• 소스 코드(고급 언어) -> 컴파일러(컴파일) -> 목적 코드(저급 언어)
• 소스코드를 모두 기게어로 변환하기 때문에 인터프리터보다 시간이 소요
• 런타임 상황에서는 이미 모든 소스코드가 변환되어 있어 빠른 실행 가능
• C, C++

인터프리터 언어

• 소스코드 -> 인터프리터 -> 목적 코드
• 기계어로 변환하는 과정에서 인터프리터에 의해 한 줄씩 해석, 실행한다.
• Python, Ruby

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명령어의 구조

• 명령코드(Operation Code) : 명령어가 수행할 연산
• 오퍼랜드(Operand) : 연산에 사용할 데이터 또는 데이터의 주소
• 오퍼랜드는 1개도 없을 수도 있고, 여러 개를 가질 수도 있다.

• 연산 코드의 종류
  • 데이터 전송
    • MOVE : 데이터를 옮겨라
    • STORE : 메모리에 저장해라
    • LOAD(FETCH) : 메모리에서 CPU로 데이터를 가져와라
    • PUSH : 스택에 데이터를 저장해라
    • POP : 스택의 최상단 데이터를 가져와라
  • 산술/논리 연산
    • ADD, SUBTRACT, MULTIPLY, DIVIDE : 사칙 연산
    • INCREMENT, DECREMENT : 오퍼랜드에 1 증감, 차감
    • AND, OR, NOT
    • COMPARE : 두 개의 숫자 또는 TRUE, FALSE 값을 비교해라
  • 제어 흐름 변경
    • JUMP : 특정 주소로 실행 순서 이동
    • CONDITIONAL JUMP : 조건에 부합하면 특정 주소로 실행 순서 이동
    • HALT : 프로그램의 실행 중지
    • CALL : 되돌아올 주소 저장, 특정 주소로 실행 순서 이동
    • RETURN : CALL을 호출할 때 저장한 주소로 리턴
  • 입출력 제어
    • READ(INPUT) : 특정 입출력 장치에서 데이터를 읽어라
    • WRITE(OUTPUT) : 특정 입출력 장치에서 데이터를 써라
    • START IO : 입출력 장치를 시작해라
    • TEST IO : 입출력 장치 상태를 확인해라

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컴파일 과정

• C 언어
  • test.c(소스 코드) -> 전처리기(preprocessor) -> 컴파일러(compiler) -> 어셈블러(assembler) -> 링커(linker) -> test.exe(실행 파일)

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명령어 사이클

• 프로그램 속 명령어들은 일정한 주기를 반복하면서 실행한다.
• 이 주기를 명령어 사이클 이라고 한다.
• 기본적인 명령어 사이클 : 인출 - 실행 - 인출 - 실행 ...
• 추가적인 메모리 접근이 필요한 경우? : 간접 주소 방식을 사용해서 필요한 데이터를 가져온다.
• 인터럽트(interrupt) : CPU 가 실행해야 하는 흐름을 멈추는 작업
• 인출 사이클 -> 간접 사이클 -> 실행 사이클 -> 인터럽트 사이클

인터럽트(Interrupt)

• 동기 인터럽트(예외) : CPU가 예기치 못한 상황을 접했을 때 발생
• 비동기 인터럽트(하드웨어 인터럽트) : 주로 입출력장치에 의해 발생
  • 효율적인 명령어 처리를 위해 사용한다. 만약 사용하지 않는다면, 프린트 완료 여부 확인을 위해 주기적으로 확인해야 하는 비용이 발생한다.
  • ex. 세탁기 완료 알림, 전제레인지 조리 알림

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클럭(Clock)

• 컴퓨터의 부품들이 움직이는 시간 단위
• 클럭 주기 : CPU의 클럭이 한 사이클에 걸리는 시간
• 클럭 속도 : 헤르츠(Hz) 단위로 측정
• 헤르츠(Hz) : 1초에 클럭이 반복되는 횟수
  • ex. 클럭이 1초에 100번에 반복되면 100Hz
• 일반적으로 클럭 속도를 높이면 CPU 속도가 빨라지긴 하지만 과해지면 발열 발생
  • 다른 방법으로는 코어, 스레드 수를 증가시킨다.

코어(Core)

• 명령어를 실행하는 부품
• 멀티 코어 : 두 개 이상의 코어를 가지고 있는 CPU
• 코어가 많다고 무조건 속도가 향상되는 것이 아니다.

스레드(Thread)

• 프로그램 실행 흐름의 단위
• 하드웨어적 스레드, 소프트웨어적 스레드가 있다.
• 하드웨어워 스레드 : 하나의 코어가 동시에 처리하는 명령어 단위
• 소프트웨어 스레드 : 하나의 프로그램에서 독립적으로 실행되는 단위

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명령어 파이프라인

1. 명령어 인출(Instruction Fetch)2
2. 명령어 해석(Instruction Decode)
3. 명령어 실행(Execute Instruction)
4. 결과 저장(Write Back)

• 같은 단계가 겹치지 않으면 각자 단계를 동시에 실행할 수 있다.
• 동시에 여러 개의 명령어를 겹쳐 실행하는 기법이다.

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명령어 집합

• 명령어 집합(구조) : CPU가 이해할 수 있는 명령어들의 모음
• 일반적으로 인텔의 CPU는 X86 명령어 집합, 애플의 CPU는 ARM 명령어 집합을 사용
• CISC(Complex Instruction Set Computer)
  • CPU를 설계하는 방식
  • 복잡한 명령어 집합을 갖는 CPU 아키텍처
  • 가변 길이 명령어
  • 메모리를 아낄 때 사용했지만, 명령어 파이프라이닝이 불리하다.
• RISC(Reduced Instrunction Set Computer)
  • CPU를 설계하는 방식
  • 간단하고 적은 종류의 명령어와 주소 지정 모드를 사용
  • 고정 길이 명령어
  • 메모리 접근 최소화, 레지스터 활용

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저장 장치 계층 구조

• CPU 와 가까운 저장 장치는 빠르고, 멀리 있는 저장 장치는 느리다.
• 속도가 빠른 저장 장치는 저장 용량이 적고, 가격이 비싸다.
• CPU 에 가까운 순서 : 레지스터 > 메모리(RAM) > USB
• 캐시 메모리
  • CPU 와 메모리 사이에 위치
  • 레지스터보다 용량이 빠르고, 메모리보다 빠른 SRAM 기반 저장 장치
  • 메모리에 계속 접근하는 것 보다 일부 데이터를 캐시 메모리에서 저장해둔 뒤 사용
  • 캐시 메모리는 CPU(코어)에 위치 하거나 CPU와 메모리 사이에 위치
    • L1, L2 코어에 위치
    • L3 CPU와 메모리 사이에 위치
  • 멀티 코어 프로세서에서는 각 코어에 위치한 캐시 메모리가 다른 경우가 있기 때문에, 싱크를 맞춰주는 작업이 필요하다.
  • CPU가 자주 사용할 법한 메모리를 저장
    • 캐시 히트 : CPU가 캐시 메모리에 저장된 값을 활용(예측 성공)
    • 캐시 미스 : CPU가 메모리에 접근해야 하는 경우(예측 실패)
  • 참조 지역성의 원리
    • CPU가 최근에 접근했던 메모리 공간에 다시 접근하려는 경향
    • CPU가 접근한 메모리 공간 근처를 접근하려는 경향