Every CS - Hardware 01 - 컴퓨터 구조

Hardware 01 - 컴퓨터 구조

1. 컴퓨터가 이해하는 정보

컴퓨터는 사람이 이해하는 방식과는 다르게 정보를 처리한다.
컴퓨터는 모든 데이터를 이진수로 변환하여 처리한다.
이진수는 0과 1로 이루어진 수로, 전기 신호의 ON(1)과 OFF(0) 상태를 나타내는 방법이다.
따라서, 컴퓨터는 모든 정보를 이진수로 변환하고, 연산과 저장을 이진수 형태로 수행한다.

이진수는 비트(bit) 단위로 표현되며, 여러 비트들이 모여 바이트(byte)가 된다.
1 바이트는 8 비트로 구성되며, 컴퓨터는 이 바이트를 단위로 데이터를 다룬다.
예를 들어, 1 바이트는 256가지의 서로 다른 값을 표현할 수 있다.
컴퓨터는 텍스트, 이미지, 비디오 등 다양한 정보를 모두 이진수로 바꿔 처리한다.

2. 컴퓨터의 핵심 부품

컴퓨터의 핵심 부품들은 데이터를 처리하고 저장하는 중요한 역할을 한다.
각각의 부품들은 서로 협력하여 컴퓨터가 다양한 작업을 수행할 수 있도록 한다.

1. CPU (Central Processing Unit)

CPU는 컴퓨터의 두뇌 역할을 하는 핵심 부품으로, 주로 연산과 제어를 담당한다.
CPU는 명령어를 처리하고, 메모리에서 데이터를 가져와서 계산하거나 명령을 수행한다.
CPU 내부에는 여러 개의 ALU(Arithmetic Logic Unit, 산술논리유닛)와 CU(Control Unit, 제어유닛)가 포함되어 있다.

• ALU: 산술 및 논리 연산을 수행하는 부품으로, 덧셈, 뺄셈, AND, OR 등의 연산을 처리한다.
• CU: CPU 내에서 명령어를 해석하고, ALU와 메모리 간의 데이터 흐름을 제어하는 역할을 한다.

CPU의 성능은 주로 클럭 속도(GHz)와 코어 수에 의해 결정된다.
클럭 속도는 초당 수행할 수 있는 명령어의 수를 의미하며, 코어 수는 동시에 여러 작업을 처리할 수 있는 능력을 의미한다.

2. 메모리(주기억장치)

메모리는 CPU가 빠르게 접근할 수 있도록 데이터를 임시로 저장하는 공간이다.
컴퓨터의 메모리는 크게 주기억장치(RAM)와 보조기억장치(HDD, SSD 등)로 나뉜다.

• RAM(Random Access Memory): 데이터를 임시로 저장하는 메모리로, 휘발성이다.
  컴퓨터가 작동하는 동안만 데이터를 저장하며, 전원이 끊어지면 저장된 데이터는 사라진다.
  빠른 속도를 자랑하지만 용량은 상대적으로 작은 편이다.
• ROM(Read-Only Memory): 읽기 전용 메모리로, 프로그램을 영구적으로 저장하는 데 사용된다.
  컴퓨터가 부팅될 때 필요한 기본적인 프로그램을 저장하고 있으며, 주로 비휘발성이다.

3. 캐시 메모리

캐시 메모리는 CPU와 주기억장치 사이에서 데이터를 빠르게 주고받을 수 있도록 돕는 고속 메모리다.
CPU는 자주 사용하는 데이터를 캐시 메모리에 저장하여, 메인 메모리(RAM)보다 훨씬 빠르게 접근할 수 있도록 한다.

캐시 메모리는 CPU 내부에 위치하며, L1 캐시, L2 캐시, L3 캐시 등의 레벨로 구분된다.

• L1 캐시: 가장 빠르지만 용량이 작은 캐시로, CPU 내부에 직접 포함되어 있다.
• L2 캐시: L1 캐시보다 용량이 크고, 속도는 상대적으로 느리다.
• L3 캐시: 여러 개의 CPU 코어가 공유하는 캐시로, L2 캐시보다 큰 용량을 가지만 속도는 더 느리다.

캐시 메모리는 CPU가 처리 속도를 높이는 데 중요한 역할을 한다.
CPU가 자주 접근하는 데이터를 미리 캐시에 저장하여, 속도 저하를 최소화할 수 있다.

4. 보조기억장치

보조기억장치는 데이터와 프로그램을 영구적으로 저장하는 장치로, 컴퓨터의 저장 공간을 제공한다.
보조기억장치는 비휘발성이며, 전원이 꺼져도 데이터가 유지된다.
대표적인 보조기억장치에는 하드디스크 드라이브(HDD)와 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)가 있다.

• HDD: 자기 디스크를 이용하여 데이터를 저장하는 장치로, 비교적 저렴하고 대용량을 제공하지만 속도는 SSD보다 느리다.
• SSD: 플래시 메모리 기반의 저장장치로, 빠른 속도와 내구성, 적은 소음 등에서 HDD보다 우수하다. 가격은 상대적으로 비싸지만, 성능 면에서는 뛰어난 장치이다.

보조기억장치는 데이터를 장기적으로 저장하는 데 사용되며, 프로그램, 운영체제, 파일 등을 저장하는 데 필요하다.

5. 입출력장치

입출력장치(I/O Devices)는 컴퓨터와 외부 환경 간의 데이터 전송을 담당하는 장치들이다.
입력 장치는 사용자나 외부 시스템에서 데이터를 컴퓨터로 전달하며, 출력 장치는 컴퓨터가 처리한 데이터를 사용자나 외부 시스템에 전달한다.

• 입력 장치: 키보드, 마우스, 스캐너, 마이크 등 사용자가 데이터를 입력하는 장치들.
• 출력 장치: 모니터, 프린터, 스피커 등 컴퓨터의 처리 결과를 사용자에게 출력하는 장치들.

입출력장치는 컴퓨터와 사용자 간의 상호작용을 가능하게 하며, 다양한 형태의 데이터 전달을 지원한다.
각 장치는 컴퓨터 내부와의 연결을 통해 데이터를 전송하고, 사용자는 이를 통해 정보를 입력하고 결과를 출력받는다.

6. 저장장치의 계층 구조

컴퓨터의 저장장치는 계층적으로 구성되어 있으며, 각 저장장치는 속도와 용량에서 상호 보완적인 역할을 한다.
저장장치 계층 구조는 주로 속도와 가격에 따라 구분되며, 빠른 장치는 용량이 적고, 느린 장치는 용량이 크다.

• 레지스터: CPU 내에 있는 가장 빠른 저장 장치로, 계산 중인 데이터나 명령어를 임시로 저장한다.
• 캐시 메모리: CPU와 메모리 사이에서 데이터를 빠르게 주고받을 수 있도록 돕는 저장 장치.
• 주기억장치 (RAM): 빠르지만 휘발성인 메모리로, 현재 실행 중인 프로그램과 데이터를 저장.
• 보조기억장치(HDD, SSD): 데이터나 파일을 장기적으로 저장하는 대용량 저장장치.

이 계층 구조는 성능과 비용을 균형 있게 고려하여 설계된다.
컴퓨터는 이 계층 구조를 통해 데이터를 빠르고 효율적으로 저장하고 접근한다.

3. 컴퓨터 구조