컴퓨터의 기본 구성 장치와 동작 원리

 

1. 폰 노이만 아키텍처 (현대 컴퓨터 구조)

현대 컴퓨터의 구조

현대 컴퓨터 구조의 기초를 만든 사람은 20세기의 천재 과학자 폰 노이만(John von Neumann)이다.
그가 제안한 폰 노이만 구조는 현재 대부분의 컴퓨터 시스템이 따르고 있는 기본 설계 방식이다. 

 

이전까지의 컴퓨터는 오늘날의 컴퓨터라기보다는 계산기(Calculator)에 가까웠는데 입력장치(Input Device)와 출력장치(Output Device)의 구분이 불명확했고, 연산장치(CPU)와 기억장치(Memory)도 명확히 나뉘어 있지 않아, 구조가 단순하고 제한적이었다. 

 

폰 노이만은 이러한 구조를 변경해서 명령어와 데이터를 같은 메모리에 저장하는 프로그램 내장 방식(Stored Program Concept)을 채택했다. 그리고 CPU와 메모리의 분리하면서 CPU는 연산과 제어만 담당하고, 데이터와 명령어는 메모리에 저장하는 방식을 따랐다. 또한 입력과 출력을 담당하는 장치를 명확히 구분하게 됨으로써 오늘날의 현대 컴퓨터 구조를 완성시켰다.

 

폰 노이만이 확립한 따른 현대 컴퓨터의 5대 구성요소는 아래와 같다. 

입력 장치	데이터를 컴퓨터에 전달 (예: 키보드, 마우스 등)
기억 장치	명령어와 데이터를 저장 (예: RAM, SSD)
제어 장치	명령어 해석 및 제어 (CPU의 일부)
연산 장치	산술 및 논리 연산 수행 (CPU의 일부, ALU)
출력 장치	결과를 사용자에게 전달 (예: 모니터, 프린터 등)

 

 

2. 컴퓨터 시스템

우선 크게 컴퓨터 시스템이라는 것에 대해 개괄적으로 알아보자.

컴퓨터 시스템은 하드웨어와 소프트웨어로 구성되어 있다. 하드웨어는 중앙처리장치(CPU), 기억장치, 입출력장치이다. 소프트웨어에는 다시 시스템 소프트웨어와 응용 소프트웨어로 나뉜다. 시스템 소프트웨어는 우리가 흔히 아는 OS(Windows11, Linux 등)이 있고 응용 소프트웨어는 웹 브라우저, 워드 프로세서 등이 있다.  

 

3. 하드웨어

여기서 잠시 하드웨어 구성을 살펴 보고 가자.  하드웨어는 보통 우리가 잘 아는 키보드와 마우스, 프린터, 모니터, 스피커로 이루어져 있고 눈으로 본체를 열어야 확인할 수 있는 요소들로는 CPU전용 팬, 내부장치용 팬, 통풍용 팬, CPU와 메모리가 있는 메인보드, 모뎀, 하드디스크 등으로 구성이 되어 있다. 

주요 하드웨어 구성요소들

• 중앙처리장치
• 기억장치 : 주기억장치(RAM), 보조기억장치(SSD, HDD)
• 입출력장치
• 시스템버스 : 컴퓨터의 기능을 수행하기 위해 각 구성요소들은 시스템버스를 통해 상호 연결된다.

 

4. 컴퓨터의 기본 구조

5. CPU (Central Processing Unit, 중앙처리장치)

CPU는 컴퓨터의 '두뇌'로, 프로그램의 명령어를 해석하고 처리하며 전체 시스템을 제어하는 핵심 장치이다. 연산장치와 제어장치로 구성된다. CPU가 컴퓨터의 특성을 결정하며, 컴퓨터의 핵심 기능인 프로그램 실행과 데이터 처리를 담당한다. CPU를 프로세서(processor) 또는 마이크로프로세서(microprocessor)이라고 부르기도 한다.

CPU 안에는 여러 개의 코어(Core)가 있으며, 각각 독립적으로 연산과 제어를 수행할 수 있다. 단기적인 데이터 기억은 CPU가 아닌 RAM이, 장기적인 데이터 저장은 SSD나 HDD가 담당한다. 

• 산술논리 연산장치(Arithmetic and Logic Unit, ALU) : 산술연산, 논리연산, 보수연산, 시프트 연산을 수행한다.
  가산기, 누산기, 보수기, 데이터 레지스터, 상태 레지스터, 인덱스 레지스터 등으로 구성된다. 
• 제어창치(Control Unit, CU) : 프로그램의 명령어 해독해서 명령어 실행에 필요한 제어 신호를 발생시키고 컴퓨터의 모든 장치를 제어한다.
• 레지스터(register) : 중앙처리장치 내부에 있는 데이터를 일시적으로 보관하는 임시기억장치로, 프로그램 실행중에 사용되며 고속으로 액세스한다. 속도가 가장 빠른 기억장치로 데이터 혹은 주소를 저장한다. 
• 버스: 버스는 데이터 교환을 위한 통로이다. 메모리의 주소를 지정할 때 주소를 보내는 주소 버스,  데이터를 주고 받기 위한 데이터버스, 제어신호를 전달하는 제어버스 등이 있다. 

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6. 메모리

메모리는 컴퓨터에서 명령어나 데이터를 일시적으로 저장하는 장치이다. 전자회로 형태로 되어 있으며, CPU가 작업을 수행할 수 있도록 데이터를 빠르게 전달한다. 공장에 비유하면 CPU는 작업자, 메모리는 작업 공간, 보조기억장치는 창고이다. 작업자는 작업 공간에 있는 도구를 사용해 일을 하고, 필요한 재료는 창고(보조기억장치)에서 가져온다. 

 

컴퓨터 메모리는 ROM(롬, Read Only Memory)과 RAM(램, Random Access Memory)로 나뉜다. 롬은 이미 저장된 정보를 읽을수만 있고 새로운 정보를 기억시킬 수 없는 반면에, 램은 정보를 읽으면서 동시에 기억시킬 수 있다. 롬은 전원을 끄더라도 정보가 지워지지 않지만, 램은 그렇지가 않기 때문에 작성한 문서나 정보를 하드디스크에 저장해야 한다. 번거롭긴 하겠지만 하드디스크에 바로 저장을 하면서 정보를 작성한다면 하드디스크를 돌리는데 모든 컴퓨터의 에너지가 쏠려 작업속도가 느려지게 된다.
 

주기억장치 (Main Memory, MM)

• 반도체 칩으로 구성되어 고속접근(access)가 가능하지만 가격이 높고 면적을 많이 차지한다 → 저장 용량 한계 존재
• 프로그램 실행 중에 일시적으로만 사용되는 휘발성(volatility) 메모리  →  전원 꺼지면 데이터가 소실됨
• CPU <-> 시스템버스 <-> 주기억장치
   →  CPU 내부의 레지스터들과 시스템버스가 직접 연결됨 

 

💡 왜 컴퓨터에는 램(RAM)이 필요한가?

RAM

컴퓨터가 느리면 램을 업그레이드해야 하라는 말을 한번쯤 들어보았을 것이다. 램은 ‘작업 중간 저장소’다. 컴퓨터가 어떤 작업을 수행할 때, CPU는 필요한 데이터를 메모리(RAM)에서 가져온다. 그 이유는 보조기억장치(SSD/HDD)는 너무 느리기 때문이다. 예를 들어, CPU가 게임(예: 롤)을 실행한다고 가정해보자.

게임에 필요한 A라는 데이터를 하드디스크에서 바로 읽어오면 시간이 오래 걸린다. 마치 커다란 창고(HDD/SSD)에서 필요한 부품을 매번 찾는 것과 같기 때문이다.  그래서 자주 쓰는 데이터나 중요한 실행 요소들을 RAM에 미리 가져와서 CPU가 바로 사용할 수 있게 하는 것이다.

 

CPU는 RAM의 속도에 맞춰 일하려고 하기 때문에, RAM이 부족하면 작업 속도 전체가 느려지고 렉이 걸린다. 이때 RAM을 업그레이드하면, 더 많은 데이터를 동시에 빠르게 처리할 수 있어서 속도 향상에 도움이 된다. 

 

RAM에 올라가는 것들에는 게임의 로직, 이미지, 음악, 텍스처 같은 리소스, 운영체제의 핵심 기능 등이 있다. 즉, 이처럼 실행에 필요한 ‘핵심 20% 데이터’만 RAM에 적재한다. 이건 파레토 법칙(80:20)에 비유할 수 있다. 전체 데이터의 20%가 전체 작업의 80%를 담당하므로, RAM에는 그 20%만 올려두는 셈이다. 

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보조기억장치(2차 기억장치, Secondary Memory)

보조기억장치는 다양한 데이터를 영구적으로 저장하는 장치이다. 대표적으로는 SSD와 HDD와 같은 비휘발성 메모리이다. LP 판과 똑같은 원리로 자기 디스크에 정보를 저장하는데 헤드가 그 정보들을 읽어온다.  저장 밀도가 높고 저가이지만 속도가 느리다.

• CPU에서 당장 필요하지 않은 많은 양의 데이터나 프로그램을 저장한다.
• CPU가 직접 접근(읽기/쓰기)하지 못하고 별도의 제어기를 통해 접근한다.
  CPU <-> 시스템버스 <-> 보조기억장치의 제어기 <-> 보조기억장치

  

✅ HDD (Hard Disk Drive)
LP판처럼 동그란 자기 디스크에 정보를 저장하고, 헤드가 그 디스크를 읽는다.
디스크가 빠르게 회전할수록 정보를 읽는 속도도 빨라져 성능이 좋아진다.

✅ SSD (Solid State Drive)
디스크가 없는 형태의 저장장치(NAND Flash Memory)로, RAM과 유사한 회로 구조를 가지고 있지만 데이터를 지속적으로 저장할 수 있다. 쉽게 말해, 속도는 빠르지만 장기 저장이 가능한 RAM같은 느낌이다. HDD보다 훨씬 빠르고 부팅 시간이 짧으며, 충격에 강하지만, 용량이 작고 더 비싸다. 

 

💡 RAID란?

하드디스크를 합체한 RAID

RAID는 HDD의 속도와 안정성을 보완하는 기술이다. HDD는 느리고 물리적으로 고장도 날 수 있다. RAID(Redundant Array of Independent Disks)는 여러 개의 하드디스크에 데이터를 나누거나 중복시켜 저장해 속도 향상과 데이터 보호를 동시에 노리는 기술이다. 이 RAID 기술로 속도와 안정성을 향상시키며 보조기억장치의 보완이 가능하다.

입출력 장치 (I/O device)

사용자-컴퓨터간의 상호작용(interaction)을 위한 장치이다. CPI가 직접 데이터를 교환하지 못하고 별도의 제어기를 통해 접근한다.

• 입력 장치(input device) : 데이터를 전자적인 2진 형태로 변환하여 컴퓨터 내부로 전달한다.
  - 키보드, 마우스, 마이크 등
• 출력 장치(output device) : 중앙처리장치가 처리한 전자적인 형태의 데이터를 사람이 이해할 수 있는 데이터로 변환해서 추력
  -모니터, 스피커, 프린터 등

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포스팅 작성에 참고한 블로그

[1주차] 컴퓨터의 기본 구조와 CPU

[컴퓨터 구조] 1. 컴퓨터의 기능과 기본 구조

컴퓨터의 작동 원리

컴퓨터의 기본 구성 장치와 동작 원리