Basic(기초)

컴퓨터가 이해하는 정보

컴퓨터는 0과 1로 이루어진 비트(Bit) 신호를 전압의 높낮이로 인식하여 처리하여, 이 0과 1의 집합은 문맥에 따라 데이터가 되거나 명령어로 구분하여 읽는다.

• 데이터: 프로그램이 처리하는 대상이 되는 정적인 정보(숫자, 문자, 이미지 등)

• 명령어: 데이터를 조작하거나 컴퓨터의 동작을 제어하는 정보

• 특징: 메모리에 저장된 비트 패턴이 같더라도 CPU가 이를 가져오는 시점과 해석하는 방식에 따라 데이터인지 명령어인지가 결정

핵심 구성 요소와 역할

컴퓨터 시스템은 크게 연산과 제어를 담당하는 CPU, 작업을 위한 공간인 메모리, 데이터 보존을 위한 보조기억장치, 그리고 외부와의 소통을 위한 입출력장치로 구성된다.

CPU (중앙처리장치)

메모리로부터 명령어를 인출(Fetch)하고 해석(Decode)하여 실행(Execute)하는 컴퓨터의 두뇌이다.

• 제어장치(Control Unit)

  • 클럭 신호에 맞춰 각 부품의 동작을 지시하고 조율

  • 메모리 읽기/쓰기 신호 및 입출력 제어 신호를 생성

• 산술논리장치(ALU)

  • 사칙연산과 논리연산(AND, OR 등)을 수행하는 디지털 회로

  • 연산 결과와 상태 플래그(오버플로우, 0 여부 등)를 출력

• 레지스터(Register)

  • CPU 내부의 가장 빠른 임시 저장 공간

  • 범용 레지스터 외에 PC(Program Counter, 다음 실행할 명령어 주소), IR(Instruction Register, 현재 실행 중인 명령어) 등 특수 목적 레지스터가 존재

  • 컨텍스트 스위칭(Context Switching) 발생 시 현재 레지스터의 상태를 PCB(Process Control Block)에 백업해야 하므로 성능에 영향을 줌

메모리(주기억장치)

현재 실행 중인 프로그램(프로세스)의 명령어와 데이터를 저장한다.

• 주소(Address)를 통해 임의의 위치에 즉시 접근 가능(Random Access)

• 전원이 꺼지면 데이터가 사라지는 휘발성(Volatile) 매체

• CPU와 보조기억장치 사이의 속도 차이를 완충하는 역할

보조기억장치

전원이 차단되어도 데이터가 유지되는 비휘발성 저장 장치이다.

• 종류: HDD, SSD

• 역할: 실행되지 않은 프로그램(코드)과 데이터를 보관하는 창고 역할

• 운영체제는 메모리 공간이 부족할 때 보조기억장치의 일부를 메모리처럼 사용하는 스왑(Swap) 혹은 가상 메모리 기법을 사용

입출력장치

컴퓨터 외부와 연결되어 데이터를 입력받거나 결과를 출력한다.

• 구성: 마우스, 키보드, 모니터, 네트워크 인터페이스 카드 등

• CPU는 입출력장치의 상태를 확인하기 위해 폴링(Polling) 방식을 쓰거나, 입출력장치가 CPU에 신호를 보내는 인터럽트(Interrupt) 방식을 사용하여 효율을 높임

메인보드와 시스템 버스

메인보드는 위 부품을 물리적으로 연결하고 전원을 공급하는 기판이며, 부품 간 정보 전달의 통로인 버스(Bus)가 내장되어 있다.

핵심 부품(CPU, 메모리, 입출력장치)을 연결하는 통로를 시스템 버스라 하며, 아래 세 가지로 구성되어 있다.

• 데이터 버스(Data Bus)

  • 명령어와 데이터를 주고받는 양방향 통로

  • 버스의 폭(Width)이 한 번에 전송할 수 있는 데이터의 양(Word Size)을 결정(예: 64비트 컴퓨터는 64비트 폭을 가짐)

• 주소 버스 Address Bus)

  • CPU가 메모리나 입출력장치의 특정 위치를 지목하기 위해 주소를 전송하는 단방향 통로 (CPU → 외부)

  • 주소 버스의 비트 수가 CPU가 관리할 수 있는 최대 메모리 용량을 결정(예: 32비트 주소 버스는 2^32 = 4GB까지만 인식 가능)

• 제어 버스(Control Bus)

  • 메모리 읽기/쓰기 신호, 인터럽트 요청 및 승인 신호 등을 주고받는 통로

  • 제어 신호를 통해 데이터 버스와 주소 버스가 충돌 없이 작동하도록 조율함

참고자료

• 혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제