Interview 16장 - 컴퓨터 공학 (1)

Interview

컴퓨터의 기본 구조

• 컴퓨터는 입력장치, 출력장치, 연산을 위한 중앙처리장치(CPU), 저장을 하기 위한 주 기억장치와 보조 기억장치를 갖고 있다.

1. 입력 장치

   • 컴퓨터가 처리할 수 있는 형태로 데이터와 명령을 받아들이는 물리적인 장치이다.
   • 키보드와 마우스, 조이콘 등 컴퓨터에 연결하여 입력할 수 있는 장치를 말한다.

2. 출력 장치

   • 처리된 데이터를 사람이 이해할 수 있는 형태로 출력하는 물리적인 장치를 의미한다.
   • 대표적인 출력 장치는 모니터로, 컴퓨터에서 나오는 글자, 그림 등의 결과를 화면에 보여준다.

3. 중앙처리장치

   • CPU 내부 구성은 크게 산술/논리 연산 장치와 제어 장치, 레지스터로 구성되어 있다.
   • 산술은 덧셈을 수행하는 것이고, 제어 장치는 프로그램에 따라 명령과 제어 신호를 생성하여 각종 장치의 동작을 제어하는 것이다.
   • 레지스터는 CPU의 내부 메모리로서 CPU에서 사용하는 데이터를 일시적으로 저장하는 장소이다.

4. 저장 장치

   • 저장장치는 데이터나 프로그램을 보관하기 위한 일차 기억 장치인 주 기억 장치와 주 기억 장치를 보조하기 위한 디스크와 같은 보조 기억 장치가 있다.
   • 프로그램 수행을 위해 필요한 정보에 의해 중앙처리장치 내에 구비된 레지스터의 용량이 너무 작기 때문에, 주로 정보를 저장해 두었다가 필요할 때 읽어들이는 저장소로 사용 된다.
   • 주 기억 장치의 종류로는 RAM과 ROM이 존재한다.
   • 보조 기억 장치는 주 기억 장치를 보조하기 때문에 읽는 속도는 느리지만 대용량 기억이 가능하다.

CPU와 Memory

CPU

• 산술/논리 연산 장치
  • 산술적인 연산과 논리적인 연산을 담당하는 장치로 가산기,보수기,누산기,기억 레지스터,데이터 레지스터 등으로 구성된다.
  • 캐시나 메모리로부터 읽어 온 데이터는 레지스터라는 CPU전용의 기억장소에 저장되면, ALU는 레지스터에 저장된 데이터를 이용해 산술 연산을 수행한다.
  • 부동소숫연산장치(FPU)와 정수연산장치, 논리연산 장치 등이 있다.
• 레지스터
  • 레지스터는 중앙처리장치(CPU)내부에 있는 기억장치이다.
  • IR(Instruction Register) : 현재 수행 중에 있는 명령어 부호를 저장하고 있는 레지스터
  • PC(Program Counter) : 명령이 저장된 메모리의 주소를 가리키는 레지스터
  • AC(Accumulator) : 산술 및 논리 연산의 결과를 임시로 기억하는 레지스터
• 제어장치
  • CPU가 자신 및 주변기기들을 컨트롤하는 장치로, 프로그램의 수행 순서를 제어하는 프로그램 계수기, 현재 수행중인 명령어의 내용을 임시 기억하는 명령 레지스터, 명령 레지스터에 수록된 명령을 해독하여 수행될 장치에 제어신호를 보내는 명령해독기로 이루어져 있다.

CPU의 기능

• 명령어
  • 시스템이 특정 동작을 수행시키는 작은 단위이다.
  • 명령어는 코드로 되어 있는데, 동작코드와 오퍼랜드로 구성되어 있다.
  • 동작코드 : 각 명령어의 실행 동작을 구분하여 표현한다.
  • 오퍼랜드 : 명령어의 실행에 필요한 자료나 실제 자료의 저장 위치를 의미한다.
• 명령어 수행 과정
  • CPU가 하나의 명렁을 처리하는 과정은 다음과 같다.
  • 읽기(FI, Fetch Instruction) : 메모리에서 명령을 가져온다.
  • 해석(DI, Decode Instruction) : 명령을 해석한다.
  • 실행(EI, Execute Instruction) : 명령을 수행한다.
  • 기록(WB, Write Back) : 수행한 결과를 기록한다.
• 명령어 처리 방식
  • 명령어 처리 방식에는 RISC와 CISC가 있다.
  • RISC는 컴퓨터 내부적으로 사용하는 명령어 세트를 단순화 시켜 처리하는 형태의 구조이다.
  • CISC는 하나의 기능에 해당하는 하나의 명령이 있는 개념이다.
    • CISC
      • 여러 사이클로 명령어를 처리한다.
      • 많은 명령어가 메모리를 참조하는 처리 방식이다.
      • 파이프라이닝의 사용이 어렵다.
      • 복잡한 마이크로 프로그램 구조를 갖고 있다.
    • RISC
      • 하나의 사이클로 명령어를 처리한다.
      • 메모리 Load/Store 명령만 처리하는 방식이다.
      • 파이프라이닝,슈퍼스칼라의 사용이 가능하다.
      • 복잡한 컴파일러 구조를 갖고 있다.

Memory

메모리 분류별 특성

• 기억장소라는 개념에서 확장하면 저장 장소라는 개념의 하드디스크, CD/DVD,USB 저장장치와 같은 보조 기억장치까지를 의미한다.
• 이런 보조 기억장치와 메모리의 차이는 휘발성인데, 메모리는 시스템이 활성화 된 상태에서 그 값을 기억하고 있지만 시스템이 꺼지게되면 지워지게 된다.
• 그에 비해 보조 기억장치는 시스템이 꺼져도 기억하고 있는 값이 휘발되지 않는다.

메모리 성능

• 리프레시 시간
  • 메모리는 일정 시간마다 재충전을 해줘야 하는데, 그렇지 않으면 정보는 사라지게 된다.
  • 이 일정기간을 리프레시 시간이라고 한다.
  • 메모리에서 한번 읽고 나서 다시 읽을 수 있는 사이 시간을 말한다.
• 메모리 액세스 시간
  • 데이터를 읽어오라는 명령을 받고 데이터를 읽기 시작하기까지의 시간을 말한다.
  • CPU에서 명령어를 처리할 때 명령어가 갖는 주소를 보낸다.
  • CPU에 그 주소에 해당하는 값을 가져 오게 되는데 걸리는 시간이 액세스 시간이다.
• 사이클 시간(리프레시 시간 + 메모리 액세스 시간)
  • 사이클 시간은 메모리 작업이 완료와 동시에 대기 신호를 내놓은 후 다음 신호를 받을 준비가 되었다는 신호를 주기까지의 시간을 의미한다.

메모리 종류

• 주 기억 장치의 종류로는 RAM과 ROM , 보조 기억 장치의 종류로는 자기 디스크, 광디스크, 플래시 메모리가 있다.

  • 주기억장치

    • RAM(Random Access Memory)
      • 컴퓨터의 전원이 끊어지면 내용이 휘발되어 보조 저장 장치가 반드시 필요하다.
      • RAM의 크기는 프로그램의 수행 속도에 영향을 준다.
      • CPU에서 직접 접근이 가능한 유일한 저장 장치이다.
      • RAM의 종류에는 SRAM과 DRAM이 있는데, SRAM은 리프레시가 필요 없고 전력 소모가 적으나 비싸며, DRAM은 리프레쉬가 필요하고 SRAM보다 저가이며 많이 사용되는 편이다.
    • ROM
      • 대부분 읽을 수만 있는 장치로 구성되며 전원이 끊겨도 내용이 보존된다.

  • 보조기억장치

    • 자기 디스크
      • 원판 표면의 철 입자의 방향으로 0과 1을 표현한다.
      • 디스크 드라이브는 자기 디스크로부터 데이터를 읽는 주변 장치를 의미한다.
      • 자기 디스크에는 플로피 디스크와 하드 디스크가 존재한다.
    • 광 디스크
      • 빛의 반사를 이용하여 자료를 읽어내는 저장 매체이다.
      • 1세대인 CD부터 시작해 2세대 DVD를 거쳐 3세대인 블루레이 디스크까지 존재하고 있다.
      • 차세대 디스크로는 테라 디스크나 HVD등이 존재한다.
    • 플래시 메모리
      • 전자적으로 데이터를 지우고 쓸 수 있는 비휘발성 메모리로 충격에 강하여 휴대용 기기에 널리 쓰인다.
      • 플래시 메모리에는 USB와 SSD가 존재하고 있으며, SSD는 HDD와 달리 디스크, 헤더와 같은 기계적 장치는 빠졌지만 저전력,저소음,저중량이라는 특징을 가지고 있다.

캐시 메모리

• CPU 내 또는 외에 존재하는 메모리로써, 메인 메모리와 CPU 간의 데이터 속도 향상을 위한 중간 버퍼 역할을 한다.
• 보관이나 저장의 의미를 가지고 있으며 이러한 역할을 하는 물리적 장치를 말한다.
• CPU와 메인 메모리 사이에 존재한다고 말할 수 있는데, CPU 내에 존재할 수도 있고 역할이나 성능에 따라 CPU밖에 존재할 수도 있다.
• 빠른 CPU의 처리속도와 상대적으로 느린 메인 메모리에서의 속도의 차이를 극복하는 완충 역할을 해준다.
• CPU는 빠르게 일을 진행하고 있는데, 메인 메모리가 데이터를 가져오고 가져가는 게 느려서 캐시 메모리가 중간에 미리 CPU에 전달될 데이터를 들고 서 있는 형태라고 생각하면 된다.

캐시 메모리의 성능 결정 요소

• 캐시 메모리는 메인 메모리의 일정 블록 사이즈의 데이터를 담아 두었다가 CPU에 워드 사이즈 만큼의 데이터를 전송하게 된다.
• 사이즈들이 캐시의 성능에 영향을 미치게 되는데 블록 사이즈나 워드 사이즈가 상대적으로 크면 그만큼 Cache의 Hit Ratio율이 높아지기 떄문이다.
• CPU가 필요한 데이터가 Cache Memory 내에 들어와 있으면 Cache Hit라 하고 접근하고자 하는 데이터가 없을 경우 Cache Miss라고 한다.
• 원하는 데이터가 있을 수도 있고 없을 수도 있는데, 원하는 데이터가 Cache에 있을 확률을 Hit Ratio라고 한다.

요소	내용
Cache 크기	Cache Memory의 Size의 크기가 크면 Hit Ratio율과 반비례 관계
인출 방식(Fetch Algorithm)	필요 시 요구하여 인출하는 방식인 요구 인출 방식과 예상되는 데이터를 미리 인출하는 방식인 선 인출 방식이 있다.
쓰기 정책	주기억 장치와 캐시에 동시에 쓰는 방식인 Write-Through, 데이터 변경만 캐시에 기록하며 구성방법이 복잡한 Write-Back 방식이 있다.
교체 알고리즘	Cache Miss 발생 시 기존 메모리와 교체하는 방식, FIFO,LRU,LFU,Random,Optimal Belady’s MIN등이 있다.
사상 기법	주기억장치의 블록을 적재할 캐시 내의 위치를 지정하는 방법으로 직접 매핑, 어소시에이티브 매핑, 셋 어소시에이티브 매핑 등이 있다.