컴퓨터의 구조는 어떻게 되어있을까?
1. 컴퓨터의 역사
‘컴퓨터’의 구조는 어떻게 되어있을까? CPU와 메모리! 안될과학 - 랩미팅 15화
1) computer
수학을 계산하는 사람
2) ENIAC: 프로그래밍이 가능한 최초의 컴퓨터의 등장 (1946)
ENIAC은 컴퓨터 사용을 위한 프로그램 (소프트 웨어)가 없기 때문에, 변수를 전선을 직접 손으로 꽂는 방식으로 진행되었다. (물리적 소프트웨어) 그 결과, 하나의 연산을 하기 위해서 많은 노동이 필요하다는 크나큰 단점이 있었다.
3) 폰노이만: 컴퓨터 구성체계를 잡아준 사람
ENIAC의 단점을 보완하기 위해 새로운 컴퓨터 구성체계를 제안했다.
폰노이만의 컴퓨터 구성체계는 중앙 제어장치(CPU), 메모리, 프로그램 세가지 요소로 구성되어 있다. 더하기, 뺴기와 같은 기능을 담은 소프트웨어가 메모리 안에 내장되어 있고 계산이 필요할 때마다 메모리 안의 프로그램과 데이터를 CPU에 전달하며 계산을 처리한다. 즉, 저장가능한 소프웨어가 있으면, 전기신호를 받아서 CPU는 계산만 하면 된다.
폰노이만 구조를 도입하게 되면, 하드웨어는 그대로 두고 소프트웨어만 교체하면 되기 때문에 편의성이 크게 증가하였기 때문에, 현재 거의 모든 컴퓨터가 폰 노이만 구조를 따르고 있다.
2. 컴퓨터 구조
1) CPU
전기적 스위치로 어떻게 계산을 하는가. (여러 논리들을 전기적으로 표현하는 방법.)
- 논리 구조를 전기적 스위칭으로 표현을 하고 계산을 한다.
- CPU 계산에 사용되는 논리회로가 있다.
- 즉, CPU안에은 논리회로로 가득 차 있다.
- 여러 논리회로들을 합치면 덧셈이 가능하다.
- 전기 스위치를 이용해 논리를 만들 수 있다.
즉 , CPU는통해 전기 스위치를 통해 계산을 할 수 있습니다.
💬 CPU를 지금과 같은 형태로 만든 사람: Jack Kilby 1958
- 진공관보다 훨씬 작은 트랜지스터 (반도체 공정으로 만든 작은 스위치)
- 만약 반도체 공정으로 작은 스위치를 제작할 수 있다면, 그 안에 논리 회로에 들어가는 각종 부품들을 반도체 공정으로 한 번에 만들어 작은 cpu를 제작할 수 있지 않을까. 라는 아이디어에서 시작했다.
- 즉, 회로를 한곳에 몰아 넣었다. => 집적회로의 원리
- 그 결과, 머리카락보다 얇은 전선들이 연결되어 있는 cpu가 탕생하게 되었다.
2) RAM
CPU만으로 컴퓨터를 사용할 수 없다. CPU의 주요 기능은 Control Unit(계산, 연산)과 Login Unit(정보처리를 위해 명령어를 로직에 넣어줌)으로, 정보를 기억할 수 있는 기능이 없다는 것을 알 수 있다. 일반적으로, 계산을 위해서는 여러 정보가 필요하다. 그래서 이러한 정보를 기억하는 역할을 메모리라고 한다.
컴퓨터의 데이터는 0과 1로 이루어져있다. 즉 메모리는 0과 1을 기억하는 장치이다. 그래서 초창기에는 회로적으로 만들어서 하나의 숫자를 기억 하는 장치를 개발했다. 이는 Random Acess Memory라고 불리며, RAM의 시작이다.
💬 DRAM
1KB의 이미지가 있다. 1KB는 8000개의 숫자를 의미한다. 즉, 8000개의 숫자를 기억하는 메모리가 필요하게 된다. 이렇게 점점 많은 용량의 데이터가 사용하게 되고 점점 회로의 크기는 커질 수 밖에 없다.
이를 줄이기 위해 DRAM이 등장했다. DRAM은 훨씬 작은 부품으로 숫자 하나를 기억할 수 있게 제작되었고, 더 많은 기억을 할 수 있게 되었다. 그런데, 속도가 느리다는 치명적인 단점이 있기 때문에 RAM과 DRAM을 혼용하여 사용한다.
작게 기억하지만 빠른 RAM은 캐시메모리라는 이름으로 CPU에 내장되어있다. 많은 것을 기억하는 DRAM에서 지금 당장 계산할 것을 뽑아서 CPU안에 있는 캐시메모리에 넣는다.
3) HDD / SDD
RAM 메모리는 전원이 꺼지만 모두 소멸된다. 그래서 영구적인 기억장치 역할을 하는 HDD가 등장하게 되었다.
💬 클럭
CPU에 정보를 전달하는 과정은 아래와 같다. HDD (속도가 1000배 느림) => DRAM (속도가 10배 느림) => CPU 내부 RAM (속도가장 빠름) 즉, CPU는 기억을 꺼내고 계산하고 다시 기억을 넣는다.
이와 같은 한싸이클을 클럭이라고 부르며 초당 몇번 하는가에 따라 CPU의 성능이 나뉜다.
3. 컴퓨터 구조와 운영체제의 관계
컴퓨터구조 운영체제 클라우드 안쉬고 처음부터 끝까지 30분동안 설명하기. 컴퓨터-구조 처음 공부하실 때 참고하세요.
컴퓨터 구조는 앞서 보았던 cpu, memory 등 물리적인 요소들 자체를 공부하는 것이다. 그리고 이러한 물리적인 동작과 관련된 부분들과 맞물려서 돌아가는 것들이 운영체제이다.
- 컴퓨터 구조: 하드웨어가 어떻게 동작되는가.
- 운영 체제: 하드웨어가 동작되는 흐름을 제어하고 무엇부처 처리해야 하는 지 잡아주는 등 전체적으로 운영하도록 해준다.
결국, 컴퓨터는 운영체제 위에서 실행된다.
예시
HDD에 저장된 프로그램 파일(프로세스)가 있다. 해당 프로세스가 실행되기 위해 메모리(DRAM)으로 올라온다. 그리고 마지막으로 CPU의 캐시메모리로 이동하게 되고 CPU(프로세서)는 캐시메모리에 접근하여 프로그램을 실행한다.
여기서 운영체제는 위의 흐름에 관여를 한다.
- 어떤 데이터를 올리는가
- 지금 DRAM에 자리가 없는데, 어떤 녀석들을 먼저 내보내야 하는가
- 등등
이렇게 여러개의 프로세스들을 동시에 실행하고, 운영을 하는 데 도움을 주는 것이 운영체제이다. 그래서 운영체제는 하드웨어들을 어떻게 잘 운영하게 하는 지가 중요하다.