1. 컴퓨터 구조의 큰그림

컴퓨터 구조는 컴퓨터가 이해하는 정보와 컴퓨터의 네가지 핵심부품으로 나눌수 있다.

 

컴퓨터가 이해하는 정보: 데이터와 명령어

네가지 핵심 부품: CPU, Main Memory(주기억장치), Secondary Storage(보조기억장치), I/O device(입출력 장치)

 

명령어는 컴퓨터를 작동시키는 정보이고 데이터는 명령어를 위해 존재하는 일종의 재료다.

컴퓨터 프로그램은 '명령어들의 모음'으로 정의되기도 한다.

 

데이터, 수와 문자

'수'

컴퓨터는 0과 1로 이루어진 bit 단위를 이용해 연산한다.

이에 따라 2진법, 10진법, 16진법에 대해 이해해야한다.

2진법과 16진법 수는 서로 변환이 잘된다.(2^4 = 16)

2진법으로 숫자 15를 표기하기 위해서는 4개의 bit가 필요하다. '1111', 이는 16진법에서 'F' 한글자로 표기할 수 있다.

8개의 bit가 모여 1byte가 되는데, 2진법으로 8개의 글자가 필요한것을 16진법으로는 2개의 글자로 치환하여 짧게 표현할 수 있다.

 

그렇다면, 10진수 체계를 컴퓨터는 어떻게 연산할까?

컴퓨터가 내부적으로 십진수를 처리하는 방식은 다음과 같다.

• 십진수 입력 파싱
  • 사용자가 십진수(예: “1234”)를 입력하거나 파일에서 읽으면, 소프트웨어 루틴이 각 자리 숫자를 파싱하여 내부 이진 값으로 변환한다.
  • 알고리즘적으로 “1234”는 '1×10³ + 2×10² + 3×10¹ + 4×10⁰'으로 해석된 뒤, 반복적인 곱셈과 덧셈 과정을 거쳐 단일 이진 정수로 바뀐다.
• 이진 정수 저장
  • 변환된 정수는 비트 시퀀스로 저장된다.
    • 십진수 5 → 이진 00000101 (8비트)
    • 십진수 1234 → 이진 00000100 11010010 (16비트)
  • CPU의 산술 논리 연산 장치(ALU)는 이진 표현을 직접 연산한다.

'문자'

 문자집합: 컴퓨터가 인식할 수 있는 문자의 모음. 컴퓨터는 문자집합 내에 있는 문자만 인식이 가능하다. 문자를 0과 1로 변환해야 컴퓨터가 이해할 수 있으며, 이와 같은 변환 과정을 character encoding 이라 한다.(반대 과정은 decoding) 

 초창기의 문자집합으로 ASCII가 있다. 0~127 까지 총합 128(2⁷)개의 정보를 담고있다. 8bit 중 유효비트 1개를 제외한 나머지 7bit 로 표현 가능한 갯수만큼 code를 가지고 있다.

 

 

컴퓨터의 주요 부품들

Memory: 메모리는 현재 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장하는 부품이다. 메모리에 저장된 값에 빠르고 효율적으로 접근하기 위해 address(주소)라는 개념을 사용한다.

CPU: memory에 저장된 명령어를 읽어들이고, 읽어들인 명령어를 해석하고 실행하는 부품이다. ALU, Register, Control unit 과 같은 unit 장치들로 이루어져있다.

Register: CPU 내부의 작은 임시저장 장치다. 프로그램을 실행하는데 필요한 값들을 임시로 저장한다. 여러개가 존재하며 각 레지스터 마다 역할과 명칭이 있다.

Control unit: control signal(제어신호)을 내보내고 명령어를 해석하는 장치다. 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시킨다.

Secondary Storage: 전원이 꺼져도 보관될 프로그램, 데이터를 저장하는 장치다.

I/O device: 컴퓨터 내부와 정보를 교환하는 장치다. 마우스, 키보드, 모니터 등과 같은 예시가있다.

Main Board and System Bus: 메인보드에 연결된 부품들은 서로 정보를 주고 받을 수 있는데, 이는 Bus라는 통로가 있기 때문이다. 컴퓨터의 네가지 핵심 부품을 연결하는 가장 중요한 버스는 System Bus다.

• Address bus: 주소를 주고받는 통로
• Data bus: 명령어와 데이터를 주고받는 통로
• Control bus: 제어신호를 주고받는 통로

 

강민철, 혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제. 한빛미디어, 2022