컴퓨터 구조와 중앙처리장치(CPU)

앞으로 컴퓨터 과학(CS) 지식에 대한 글도 다뤄보려 한다. CS 지식은 매우 방대하기 때문에 좋은 개발자로 성장하기 위해  필요할만한 최소한의 CS 지식만 다뤄볼 것이다.

 

CS 관련 글의 첫 번째 주제는 컴퓨터 구조와 중앙처리장치(CPU)로 정했다.

 

 

컴퓨터 구조

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컴퓨터의 기본 구성

• 하드웨어 : 물리적인 장치
• 소프트웨어 : 하드웨어를 활용할 수 있는 프로그램

 

컴퓨터 하드웨어의 구조

• 물리적 구조 : 중앙처리장치, 기억장치, 입력장치, 출력장치
• 기능적 구조 : 중앙처리장치를 중심으로 자료 신호와 명령 신호를 교환한다

 

중앙처리장치

• 제어장치 : 프로그램의 명령을 해석하고, 명령에 따라 각 장치의 작업을 지시하고 감독한다
• 연산장치 : 사칙연산 및 논리 연산을 실행하는 장치

 

기억장치

• 주기억장치 : 실행 중인 프로그램과 데이터들을 일시적으로 기억하는 장치
• 보조기억장치 : 프로그램과 자료를 영구 저장하는 기억장치

 

입출력 장치

• 입력장치 : 데이터를 컴퓨터가 인식할 수 있는 전기적 신호(디지털 신호)로 변환시켜 주는 장치
• 출력장치 : 중앙처리장치가 처리한 결과를 출력하는 장치

 

소프트웨어

• 시스템 소프트웨어 : 사용자가 복잡한 하드웨어를 몰라도 사용할 수 있도록 해 주는 프로그램
• 응용 소프트웨어 : 특정 응용을 위해 만들어진 프로그램

 

시스템 소프트웨어의 종류

• 운영체제 : 컴퓨터의 전체적인 작동을 관리한다
• 언어 번역 프로그램 : 어셈블러, 컴파일러, 인터프리터
• 유틸리티 프로그램 : 컴퓨터의 조작을 편리하게 해주는 프로그램
• 디바이스 드라이버 : 하드웨어 장치를 동작시키는 장치 구동기

 

펌웨어

• 특정 하드웨어 장치의 ROM에 들어 있는 기본적인 프로그램

 

중앙처리장치(CPU)

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개요

• 명령을 수행하고 데이터를 처리하는 장치
• 연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성된다

 

구성

• 연산장치 : 자료를 처리하고 계산하는 장치
• 제어장치 : 프로그램에 의해 주어지는 명령들을 차례대로 실행한다

 

제어장치의 동작

• 페치 단계 : 기억장치에 저장된 명령어를 호출하여 명령어 레지스터에 저장한다
• 실행 단계 : 명령어를 해독하여 실행하는 과정

 

종류

• CISC 방식 : 명령어의 수가 많고 구조가 복잡하여 생산단가가 비싸다
• RISC 방식 : 연산속도를 높이기 위해 제어 논리를 단순화시켰다

 

명령어

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명령어 수행

• 중앙처리장치는 주기억장치에 기억된 프로그램 명령어를 페치 해 실행한다
• 명령어 사이클 : 페치 사이클, 실행 사이클
• 인터럽트 : 명령어 수행 중에 잠시 중단되는 것

 

명령어 실행 사이클

• 페치 사이클, 실행 사이클, 인터럽트 사이클

 

 

명령어 실행 과정

• 레지스터 : 실행의 중간 결과 등을 임시로 저장하는 플립플롭(flip-flop)으로 구성됨
• 레지스터의 종류 : 프로그램 카운터, 명령어 해독기, 범용 레지스터 등

 

 

컴퓨터 부팅 과정

• 바이오스 프로그램 실행 : 부팅 프로그램을 주기억장치로 로드한다
• 부팅 프로그램 실행 : 운영체제를 주기억장치로 로드한다
• 운영체제 실행 : 사용자가 컴퓨터를 사용할 수 있는 환경 제공한다