컴퓨터 과학 - 컴퓨터의 구성(CPU, 메모리, 보조기억장치, 입출력장치)

컴퓨터는 네 가지의 핵심 부품으로 작동한다.

세상에는 많은 컴퓨터가 존재한다. 흔히들 생각하는 컴퓨터는 데스크톱을 사용하는 컴퓨터일 것이다. 하지만 스마트폰, 노트북, 서버 모두 컴퓨터라 할 수 있다. 우리가 컴퓨터라고 부르는 것은 반드시 중앙처리장치(CPU;Central Processing Unit 이하 CPU), 주기억장치(main memory 이하 메모리), 보조기억장치(secondary stroage), 입출력장치(input/output(I/O) device)  이 네 가지 핵심 부품을 지니고 있어야 한다. 어느 하나라도 빠진다면 컴퓨터로써의 기능을 수행하지 못한다.

 

 

주기억장치에는 크게 RAM(Random Access Memory)과 ROM(Read Only Memory) 두 가지가 있다. 보통 RAM을 메모리라고 칭하며 RAM이 더 중요하다. 따라서 주기억장치는 웬만하면 RAM이라고 생각하자. 

 

 

• 1. 가장 큰 사각형은 메인보드이다.
• 2. 메인보드 안에 시스템 버스(양방향 수직 화살표)가 있다.
• 3. CPU 내부에는 ALU(산술논리연산장치), 제어장치와 여러 레지스터가 있다. CPU는 메인보드 내 시스템 버스와 연결되어 있다.
• 4. 메모리는 메인보드 내 시스템 버스와 연결되어 있다.
• 5. 보조기억장치는 메인보드 내 시스템 버스와 연결되어 있다.
• 6. 모니터, 키보드, 마우스 등은 메인보드 내 시스템 버스와 연결되어 있고, 이들을 입출력 장치라고 부른다.

위 그림은 내가 컴퓨터의 구성을 알기 위해 찾아본 포스팅 중 가장 깔끔하고 내용이 이해가 잘가는 포스팅의 그림이었다. 아래의 내용은 모두 이 블로그의 포스팅을 참고했으며, 학습을 위해 나의 그림과 글로 재구성할 뿐이다. 좀 더 깔끔한 포스팅을 보고 싶다면 가장 아래에 달아둔 url로 가면 된다.

 

https://hongong.hanbit.co.kr/%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0%EC%9D%98-4%EA%B0%80%EC%A7%80-%ED%95%B5%EC%8B%AC-%EB%B6%80%ED%92%88cpu-%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC-%EB%B3%B4%EC%A1%B0%EA%B8%B0%EC%96%B5%EC%9E%A5/

[컴퓨터 구조] CPU, 메모리, 보조기억장치, 입출력장치를 알아보자

 

메모리

컴퓨터가 이해하는 정보는 명령어와 데이터라고 했다. 메모리는 현재 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장하는 부품이다. 즉, 프로그램이 실행되려면 반드시 명령어와 데이터가 메모리에 저장되어 있어야 한다.

 

이때 컴퓨터가 빠르게 작동하기 위해서는 메모리 속 명령어와 데이터가 중구난방으로 저장되어 있으면 안된다. 저장된 명령어와 데이터의 위치는 정돈되어 있어야 한다. 그래서 메모리에는 저장된 값에 빠르고 효율적으로 접근하기 위해 주소(adress)라는 개념이 사용된다. 현실에서도 주소가 없으면 배달이 안 되는 것처럼 (근처 집을 모두 돌 수 있다면 모르겠지만 현실적으로 불가능하다) 컴퓨터에서도 주소로 메모리 내 원하는 위치에 접근할 수 있다.

 

다음 그림은 1번지와 2번지에 명령어, 3번지에 데이터가 저장되어 있고, 5번지와 6번지에는 아무것도 저장되어 있지 않은 상태의 메모리를 표현한 예시이다. 

 

 

물론 이것은 메모리를 이해하기 쉽게 그림으로 나타낸 것일 뿐 실제로는 이와 같이 저장되지 않는다. 명령어와 데이터는 모두 0과 1로 표현되기 때문에 겉보기에는 마치 0과 1로 이루어진 데이터를 저장한 것처럼 보인다.

 

메모리에 대해선 아래 세 가지만 기억하면 된다.

 

• 프로그램이 실행되기 위해서는 반드시 메모리에 저장되어 있어야 한다.
• 메모리는 현재 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장한다.
• 메모리에 저장된 값의 위치는 주소로 알 수 있다.

 

CPU

CPU는 컴퓨터의 두뇌이다. CPU는 메모리에 저장된 명령어를 읽어 들이고, 읽어 들인 명령어를 해석하고, 실행하는 부품이다.

 

 

CPU의 역할과 작동 원리를 구체적으로 이해하기 위해서는 CPU 내부 구성 요소를 알아야 한다. 이 책에서 학습할 CPU 내부 구성 요소 중 가장 중요한 세 가지는 산술논리연산장치(ALU;Arithmetic Logic Unit), 레지스터(register), 제어장치(CU; Control Unit)이다.

 

ALU는 쉽게 말해 계산기다. 오직 계산만을 위해 존재한다. 컴퓨터 내부에서 수행되는 대부분의 계산은 ALU가 도맡아 수행한다. 

 

레지스터는 CPU 내부의 작은 임시 저장 장치이다. 프로그램을 실행하는 데 필요한 값들을 임시로 저장한다. CPU 안에는 여러 개의 레지스터가 존재하고 각기 다른 이름과 역할을 가진다.

 

제어장치는 제어신호(control signal)라는 전기 신호를 내보내고 명령어를 해석하는 장치이다. 여기서 제어 신호란 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호이다. 제어 신호는 이후 자세히 설명하니, 일단 이 두 가지만 기억하자.

• CPU가 메모리에 저장된 값을 읽고 싶을 땐 메모리를 향해 "메모리 읽기"라는 제어신호를 보낸다.
• CPU가 메모리에 어떤 값을 저장하고 싶을 땐 메모리를 향해 "메모리 쓰기"라는 제어신호를 보낸다.

CPU를 구성하는 세 가지 부품의 역할을 알아보자. 앞서 살펴본 메모리 그림을 다시 보면 1번지부터 2번지까지 명령어가 저장되어 있다.

 

01 메모리 읽기

 

제어장치는 1번지에 저장된 명령어를 읽어 들이기 위해 메모리에 '메모리 읽기' 제어 신호를 보낸다.

 

 02 명령어 실행

 

#1 메모리는 1번지에 저장된 명령어를 CPU에 건네주고, 이 명령어는 레지스터에 저장된다. #2 제어장치는 읽어 들인 명령어를 해석한 뒤 3번지와 4번지레 저장된 데이터가 필요하다고 판단. #3 제어장치는 3번지와 4번지에 저장된 데이터를 읽어들이기 위해 메모리에 '메모리 읽기' 제어 신호를 보낸다.

 

03 데이터 전달 및 연산 수행

 

#1 메모리는 3번지와 4번지에 저장된 데이터를 CPU에 건네주고, 이 데이터들은 서로 다른 레지스터에 저장된다. #2 ALU는 읽어 들인 데이터로 연산을 수행한다. #3 계산의 결괏값은 레지스터에 저장된다. 계산이 끝났다면 첫 번째 명령어의 실행은 끝이 난다.

 

04 메모리 쓰기

 

제어장치는 계산 결과를 저장하기 위해 메모리에 '메모리 쓰기' 제어 신호와 함께 계산 결과인 220을 보낸다. 메모리 계산 결과를 저장하면 두 번째 명령어의 실행도 끝이 난다. CPU를 요약하면 다음과 같다.

• CPU는 메모리에 저장된 값을 읽어 들이고, 해석하고, 실행하는 장치다.
• CPU 내부에는 ALU, 레지스터, 제어장치가 있다.
• ALU는 계산하는 장치, 레지스터는 임시 저장 장치, 제어장치는 제어 신호를 발생시키고 명령어를 해석하는 장치다.

 

보조기억장치

앞서 메모리는 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장한다고 했지만, 이 메모리는 두 가지 치명적인 약점이 있다. 첫 번째로 가격이 비싸 저장 용량이 적다는 점, 두 번째로 전원이 꺼지면 저장된 내용을 잃는다는 점이다. (이런 단점에도 불구하고 RAM을 쓸 수밖에 없는 이유는 속도가 빠르기 때문) 

 

컴퓨터로 작업하던 중 전원이 꺼져서 작업한 내용이 모두 날라가는 곤란한 상황이 한 번쯤은 있을 것이다. 전원이 꺼지면 작업한 내역을 잃게 되는 이유는 실행 중인 프로그램들은 메모리에 저장되는데, 메모리는 전원이 꺼지면 저장된 내용은 날아가기 때문이다.

 

이에 메모리보다 크기가 크고 전원이 꺼져도 저장된 내용을 잃지 않는 메모리를 보조할 저장 장치각 필요하게 되었는데, 그게 바로 보조기억장치이다.

 

 

하드 디스크, SSD, USB 메모리, DVD, CD-ROM과 같은 저장 장치가 보조기억장치의 일종이다. 컴퓨터 전원이 꺼져도 컴퓨터에 파일이 남아 있었던 이유는 우리가 파일을 보조기억장치에 저장했기 때문이다. 메모리가 현재 '실행되는' 프로그램을 저장한다면, 보조기억장치는 '보관할' 프로그램을 저장한다.

 

입출력장치

입출력장치는 마이크, 스피커, 프린트, 마우스, 키보드처럼 컴퓨터 외부에 연결되어 컴퓨터 내부와 정보를 교환하는 장치를 의미한다.

 

 

아니, 하드디스크나 USB도 '컴퓨터 외부에 연결되어 컴퓨터 내부와 정보를 교환할 수 있는 장치'로 볼 수 있지 않나? 그러면 보조기억장치도 결국 입출력장치 아님?라고 생각할 수 있다. 

 

어떻게 보면 맞다. 세상이 원하는대로 딱딱 나눠지도록 호락호락하지 않다. 보조기억장치는 관점에 따라 입출력 장치의 일종으로 볼 수도 있다. 실제로 보조기억장치와 입출력장치를 '컴퓨터 주변에 붙어 있는 장치'라는 의미에서 주변장치(peripheral device)라 통칭한다. 다만 보조기억장치는 모니터, 마우스, 키보드와 같은 일반적인 입출력장치에 비해 메모리를 보조한다는 특별한 기능을 수행하는 입출력장치이다.

 

메인보드와 시스템 버스

지금까지 설명한 컴퓨터의 핵심 부품들은 모두 메인보드(main board)라는 판에 연결된다. 메인보드는 마더 보드(mother board)라고도 부른다. 메인보드에는 앞서 소개한 부품을 비롯한 여러 컴퓨터 부품을 부착할 수 있는 슬롯과 연결 단자가 있다. 

 

메인보드에 연결된 부품들은 서로 정보를 주고받을 수 있는데, 이는 메인보드 내부에 버스(bus)라는 통로가 있기 때문이다. 컴퓨터 내부에는 다양한 종류의 통로, 즉 버스가 있다. 하지만 여러 버스 가운데 컴퓨터의 네 가지 핵심 부품을 연결하는 가장 중요한 버스는 시스템 버스(system  bus)이다. 참고로 여기서 말하는 버스는 우리가 알고 있는 그 버스가 맞다. 

 

시스템 버스는 주소 버스, 데이터 버스, 제어 버스로 구성되어 있다. 주소 버스(address bus)는 주소를 주고받는 통로, 데이터 버스(data bus)는 명령어와 데이터를 주고 받는 통로, 제어 버스(control bus)는 제어 신호를 주고받는 통로이다.

 

시스템 버스를 조금 더 자세히 이해하기 위해 앞서 설명한 CPU의 작동 예시를 다시 한번 보자. CPU가 메모리 속 명령어를 읽어 들이기 위해 제어장치에서 '메모리 읽기'라는 신호를 내보낸다고 했다. 그런데 사실 CPU가 메모리를 읽을 땐 제어 신호만 내보내지 않는다. 실제로 #1 제어 버스로 '메모리 읽기' 제어 신호를 내보내고, #2 주소 버스로 읽고자 하는 주소를 내보낸다. #3 그러면 메모리는 데이터 버스로 CPU가 요청한 주소에 있는 내용을 보낸다.

 

 

그리고 메모리에 어떤 값을 저장할 때도 #1 CPU는 데이터 버스를 통해 메모리에 저장할 값을, #2 주소 버스를 통해 저장할 주소를, #3 제어 버스를 통해 '메모리 쓰기' 제어 신호를 보낸다.

 

 

#마지막 총 정리#

• 메모리는 현재 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장하는 부품
• CPU는 메모리에 저장된 명령어를 읽어 들이고, 해석하고, 실행하는 부품
• 보조기억장치는 전원이 꺼져도 보관할 프로그램을 저장하는 부품
• 입출력장치는 컴퓨터 외부에 연결되어 컴퓨터 내부와 정보를 교환할 수 있는 부품
• 시스템 버스는 컴퓨터의 네 가지 핵심 부품들이 서로 정보를 주고 받는 통로