[운영체제] 컴퓨터의 구조 (기본 구성, CPU, 메모리)

💡 컴퓨터의 기본 구성

 

💡 하드웨어의 구성

 

컴퓨터는 중앙처리장치(CPU), 메인메모리, 입력장치, 출력장치, 저장장치로 구성됩니다.

 

컴퓨터를 구성하는 장치

 

컴퓨터로 하는 대부분의 작업은 중앙처리장치와 메인메모리의 협업으로 이루어지기 때문에 중앙처리장치와 메인메모리는 필수 장치로 분류됩니다.

입력장치, 출력장치, 저장장치는 주변장치라고 합니다.

 

메인 메모리는 전력이 끊기면 데이터를 잃어버리기 때문에 데이터를 영구히 보관하기 위해서는 하드디스크나 USB 드라이버를 사용해야 합니다.

그래서 메인메모리를 제1저장장치(first storage), 하드디스크나 USB 드라이버 같은 메모리를 제2저장장치(second storage) 또는 보조저장장치라고 부릅니다.

 

CPU 와 메모리

• CPU 는 명령어를 해석하여 실행하는 장치로, 인간으로 치면 두뇌에 해당합니다.

• 메모리는 작업에 필요한 프로그램과 데이터를 저장하는 장소로, 바이트 단위로 분할되어 있고 분할 공간마다 주소로 구분됩니다.

 

입출력장치

• 입력장치는 외부의 데이터를 컴퓨터에 입력하는 것으로, 키보드, 마우스, 스캐너 등이 있습니다.

• 출력장치는 컴퓨터에서 처리한 결과를 사용자가 원하는 형태로 출력하는 장치로 프린터, 모니터, 스피커 등이 있습니다.

 

저장장치

• 메모리는 전자의 이동으로 데이터를 처리하는 반면, 하드디스크나 CD 와 같은 저장장치는 구동 장치가 있는 기계이므로 속도가 느립니다.

• 이렇게 느린 저장장치를 사용하는 이유는 저장 용량에 비해 가격이 싸기 때문입니다.

• 저장장치는 메모리보다 느리지만 저렴하고 용량이 크며, 전원 온오프와 상관없이 데이터를 영구적으로 저장합니다.

 

메인보드

• 컴퓨터의 다양한 부품은 버스로 연결됩니다. 버스는 각 장치를 연결하는 선의 집합이자 데이터가 지나다니는 통로입니다.

• 메인보드는 CPU 와 메모리 등 다양한 부품을 연결하는 커다란 판입니다.

• 메인보드에는 가는 선, 즉 버스가 복잡하게 얽혀 있으며 전력이 공급되면 버스로 연결된 부품이 작동합니다.

• 메인보드에는 각종 부품을 꽂을 수 있는 단자가 있고, 이 단자에 그래픽카드, 사운드카드, 랜카드 등이 기본으로 장착되어 있기도 하고, 성능을 향상하기 위해 따로 장착하기도 합니다.

 

 

💡 폰노이만 구조

 

오늘날의 컴퓨터 구조는 대부분 폰노이만 구조(von Neumann architecture)를 따릅니다.

 

폰노이만 구조는 CPU, 메모리, 입출력장치, 저장장치가 버스로 연결되어 있는 구조를 말합니다.

 

폰노이만 구조가 등장하기 전의 컴퓨터는 컴퓨터의 전선을 연결하여 회로를 구성하는 하드와이어링 형태였기 때문에 다른 용도로 사용하려면 전선의 연결을 바꿔야 했습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 미국의 수학자 존 폰노이만은 메모리를 이용하여 프로그래밍이 가능한 컴퓨터 구조, 즉 하드웨어는 그대로 둔 채 작업을 위한 프로그램만 교체하여 메모리에 올리는 방식을 제안했습니다.

 

폰노이만 구조 덕분에 오늘날에는 프로그래밍 기술을 이용하여 컴퓨터로 다양한 작업을 할 수 있게 되었습니다.

 

폰노이만 구조

 

폰노이만 구조에서 가장 중요한 특징은, ‘모든 프로그램은 메모리에 올라와야 실행할 수 있다’ 는 것입니다.

 

예를 들어, 텍스트 편집기로 보고서를 작성했다고 가정해보겠습니다. 텍스트 편집기 프로그램과 보고서 파일은 저장장치인 하드디스크에 저장되지만 프로그램과 데이터가 저장장치에서 바로 실행되지는 않습니다. 저장장치에 있는 프로그램을 실행하려면 프로그램이 메모리에 올라와야 하며, 운영체제도 프로그램이기 때문에 메모리에 올라와야 실행이 가능합니다.

 

 

💡 CPU 와 메모리

 

💡 CPU 의 기본 구성

 

CPU 는 산술논리 연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되며, 이것들의 협업으로 작업을 처리합니다.

 

• 산술논리 연산장치: CPU 에서 데이터를 연산하는 장치가 산술논리 연산장치입니다. 산술논리 연산장치는 데이터의 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 같은 산술 연산과 AND, OR 같은 논리 연산을 수행합니다.

• 제어장치: CPU 에서 작업을 지시하는 부분을 제어장치가 수행합니다.

• 레지스터: CPU 내에 데이터를 임시로 보관하는 곳을 레지스터라고 합니다.

 

 

💡 레지스터의 종류

 

CPU 는 필요한 데이터를 메모리에서 가져와 레지스터에 저장하고 산술논리 연산장치를 이용하여 연산을 한 후, 그 결과를 다시 레지스터에 저장했다가 메모리로 옮깁니다.

이 때 사용되는 레지스터는 데이터 레지스터와 주소 레지스터입니다.

이들은 사용자 프로그램에 의해 변경되기 때문에 가시 레지스터(user-visible register)라고 부릅니다.

 

• 데이터 레지스터(DR): 데이터 레지스터는 메모리에서 가져온 데이터를 임시로 보관할 때 사용합니다. CPU 에 있는 대부분의 레지스터가 데이터 레지스터이기 때문에 일반 레지스터 또는 범용 레지스터라고 부릅니다.

• 주소 레지스터(AR): 데이터 또는 명령어가 저장된 메모리의 주소는 주소 레지스터에 저장됩니다.

 

데이터 레지스터와 주소 레지스터 외에 특별한 용도로 사용되는 레지스터도 있는데 이를 특수 레지스터라고 합니다.

특수 레지스터는 사용자가 임의로 변경할 수 없기 때문에 사용자 불가시 레지스터(user-invisible register)라고 부릅니다.

 

• 프로그램 카운터(PC): CPU 는 다음에 어떤 명령어를 처리해야 할지 알아야합니다. 프로그램 카운터는 다음에 실행할 명령어의 주소를 기억하고 있다가 제어장치에 알려줍니다. 다음에 실행할 명령어의 주소를 가리키기 때문에 프로그램 카운터를 명령어 포인터라고 합니다.

• 명령어 레지스터(IR): 명령어 레지스터는 현재 실행 중인 명령어를 저장합니다. 제어장치는 명령어 레지스터에 있는 명령을 해석한 후 외부 장치에 적절한 제어 신호를 보냅니다.

• 메모리 주소 레지스터(MAR): 메모리 주소 레지스터는 메모리에서 데이터를 가져오거나 반대로 메모리로 데이터를 보낼 때 주소를 지정하기 위해 사용합니다. 명령어를 처리하는 과정에서 필요한 메모리 주소를 이 레지스터에 넣으면 메모리 관리자가 이를 인식하여 해당 메모리 위치의 데이터를 가져오거나 해당 메모리 위치를 데이터에 저장합니다.

• 메모리 버퍼 레지스터(MBR): 메모리 버퍼 레지스터는 메모리에서 가져온 데이터나 메모리로 옮겨 갈 데이터를 임시로 저장합니다. 메모리 버퍼 레지스터는 항상 메모리 주소 레지스터와 함께 동작합니다.

 

 

💡 버스의 종류

 

버스는 CPU 와 메모리, 주변장치 간에 데이터를 주고받을 때 사용됩니다.

버스에는 다음 작업을 지시하는 제어 신호, 메모리의 위치 정보를 알려주는 주소, 처리할 데이터가 오고 가며 각각 제어 버스, 주소 버스, 데이터 버스에 실립니다.

 

버스의 종류와 구조

 

• 제어 버스: 제어 버스에는 다음에 어떤 작업을 할지 지시하는 제어 신호가 오고 갑니다. 메모리에서 데이터를 가져올 때는 읽기 신호를 보내고, 처리한 데이터를 메모리로 옮겨놓을 때는 쓰기 신호를 보냅니다. 제어 버스는 CPU 의 제어장치와 연결되어 있습니다. 메모리에서 오류가 발생하거나 네트워크 카드에 데이터가 모두 도착했다는 신호는 모두 제어 버스를 통해 CPU 로 전달됩니다.

• 주소 버스: 주소 버스에서는 메모리의 데이터를 읽거나 쓸 때 어느 위치에서 작업할 것인지를 알려주는 위치 정보(주소)가 오고 갑니다. 주소 버스는 메모리 주소 레지스터와 연결되어 있으며 단방향입니다. CPU 에서 메모리나 주변장치로 나가는 주소 정보는 있지만 주소 버스를 통해 CPU 로 전달되는 정보는 없습니다.

• 데이터 버스: 제어 버스가 다음에 어떤 작업을 할지 신호를 보내고 주소 버스가 위치 정보를 전달하면 데이터가 데이터 버스에 실려 목적지까지 이동합니다. 데이터 버스는 메모리 버퍼 레지스터와 연결되어 있으며 양방향입니다.

 

 

💡 메모리의 종류

 

컴퓨터가 발전함에 따라 많은 종류의 메모리가 개발되었습니다.

메모리는 읽거나 쓸 수 있는 램(RAM)과 읽기만 가능한 롬(ROM)으로 구분됩니다.

램은 전력이 끊기면 데이터가 사라지는 휘발성 메모리와 전력이 끊겨도 데이터를 보관할 수 있는 비휘발성 메모리로 나뉩니다.

 

• 휘발성 메모리: 휘발성 메모리에는 DRAM(동적 램)과 SRAM(정적 램)이 있습니다. DRAM 은 저장된 0과 1의 데이터가 일정 기간이 지나면 사라지므로 일정 시간마다 다시 재생시켜야 합니다. SRAM 은 전력이 공급되는 동안에는 데이터를 보관할 수 있어 재생할 필요가 없습니다. 따라서 속도는 빠르지만 가격이 비쌉니다. 일반적으로 메인메모리에는 DRAM 을 사용하고, 캐시 같은 고속 메모리에는 SRAM 을 사용합니다.

• 비휘발성 메모리: 비휘발성 메모리에는 플래시 메모리, FRAM, PRAM 등이 있습니다. 이 외에도 많이 사용되는 비휘발성 메모리는 하드디스크를 대신하도록 만든 SSD 가 있습니다. SSD 는 가격이 비싸지만 빠른 데이터 접근 속도, 저전력, 내구성 때문에 개인용 컴퓨터는 물론 노트북, 스마트폰 등 많은 기기에 사용되고 있습니다.

 

 

💡 참고

 

쉽게 배우는 운영체제 - 조성호