[컴퓨터 구조] 컴퓨터 하드웨어 기본 구조 (CPU, 메모리)

디지털 컴퓨터란?

정의

- 이진 시스템(0과 1)을 사용하여 계산을 수행하는 디지털 시스템

- 비트의 그룹을 사용하여 숫자, 문자 및 기타 정보를 표시하거나 처리

구성 요소

- 하드웨어: 컴퓨터를 구성하는 기계적 장치

- 소프트웨어: 하드웨어의 동작을 지시하고 제어하는 명령어 집합

구분	이름	설명
하드웨어	CPU	중앙처리장치, 컴퓨터 그 자체로 정의. 산술 논리 처리와 데이터의 저장, 제어 기능 수행
	주변장치	메모리(RAM/ROM), 저장 장치(Storage, HDD, SSD), 입출력 장치(IO devices)
소프트웨어	운영체제	OS, Operating System (Windows, macOS 등)
	시스템 프로그램	유틸리티, 데이터베이스, Editor(윈도우-멀티패드), OS에 포함되거나 연결되어 시스템 운영 보조
	응용 프로그램	MS Word, 한글 등 추가적으로 설치하여 사용하는 프로그램

하드웨어

 

1) 중앙 처리 장치 (CPU, Central Processing Unit)

- 메모리에 저장된 명령어를 읽어 수행하는 주체

- 명령어 사이클(Fetch/Execution)을 반복해 프로그램 실행

구분	역할
ALU (Arithmetic and Logic Unit)	- 데이터 처리, 산술/논리 연산 수행 - 가산기, 보수기, 누산기, 기억 레지스터, 데이터 레지스터 등으로 구성
CU (Control Unit)	- 명령어 레지스터에 저장된 명령어 해석 - 각 컴퓨터 구성요소를 제어할 제어 신호 생성 - 프로그램 계수기(프로그램 순서 제어), 명령 레지스터(명령어 임시 기억), 명령해독기(레지스터의 명령을 해독하여 수행 장치에 제어 신호를 보냄)로 구성
Register	- 캐시나 메모리로부터 읽어 온 데이터가 저장되는 CPU 내부 메모리 - 명령어 실행을 위한 데이터 상태, 명령어 저장 - IR(Instruction Register, 현재 수행 중에 있는 명령어 부호 저장), PC(Program Counter, 명령이 저장된 메모리 주소를 가리킴), AC(Accumulator, 산술 및 논리 연산의 결과 임시 기억)으로 구성
Internal Bus	- CPU 내부의 구성요소 간 데이터 전달과 연결을 위한 경로

✅ 명령어(Operation) 수행 과정
1. 읽기(Fetch Instruction): 메모리에서 명령어를 가져옴
2. 해석(Decode Instruction): 명령어를 해석
3. 실행(Execute Instruction): 명령어를 수행
4. 기록(Write Back): 수행한 결과 기록

 

2) 메모리 (Memory)

- 전류를 흐르게 하거나 흐르지 않게하는 반도체 특성을 이용해 임시적 내용을 기억하는 장치

- 주 기억장치(RAM/ROM)와 보조 기억장치(HDD/SSD)로 구분

- 주 기억장치는 시스템이 꺼지면 데이터가 휘발되며, 저장/읽기 속도가 비교적 빠르다

- 보조기억장치는 시스템이 꺼져도 데이터가 남아 있지만, 저장/읽기 속도가 느리다

구분	이름	설명
주 기억장치	RAM (Random Access Memory)	1. SRAM (Static RAM) - CPU 안에 포함되어 캐시 메모리라고도 하며, CPU와 DRAM의 속도 차이를 극복하기 위해 사이에 존재하는 고속 기억 장치 - 시간적, 공간적 지역성을 기반으로 가까운 미래에 사용할 확률이 높은 데이터를 보관 - 전기가 남아 있는한 메모리가 날아가지 않음 2. DRAM (Dynamic RAM) - 주 기억장치를 뜻하며, SRAM보다 속도는 느리지만 메모리 용량이 큼 - 각각의 축전기가 담고 있는 전자의 수에 따라 전기 신호를 1과 0으로 나타냄 - 축전기가 시간이 지나면 방전되기 때문에 일정시간마다 재충전하여 데이터 재생 필요 - 전력이 약해지면 순간적으로 데이터가 날아감
	ROM (Read Only Memory)	- 내용을 읽을 수는 있어도 쓰기는 불가능한 메모리 - 비휘발성 메모리 - 입출력을 처리하는 바이오스 등 변경 가능성 없는 소프트웨어를 기억시키는데 사용
보조 기억장치	HDD (Hard Disk Drive)	- 데이터를 영구적으로 저장하는 비휘발성 대용량 기억장치 - 물리적인 디스크를 고속으로 회전시켜 데이터 저장 - 물리적 저장 방식으로 충격에 약하며 소음 발생
	SSD (Solid State Drive)	- 반도체를 이용하여 데이터를 저장하는 기억장치 - 전기적 데이터를 저장하기 때문에 속도가 빠르며 소음도 발생하지 않음 - 전력 소모가 적고, 소형화 가능하여 최근 가장 많이 사용됨

 

3) 입출력 장치 (I/O Unit)

- Input: 마우스, 키보드 카메라 등

- Output: 모니터, 스피커, 프린터 등

- In/Out: 네트워크, 저장매체 등

- IO는 CPU, 메모리 등 요소간에 Bus System을 통해 연결됨

 

4) 시스템 버스 (System Bus)

- 컴퓨터의 각 구성 요소 간 데이터, 신호를 전달하기 위한 데이터 전달 경로

- 시스템 내외부 모듈 사이의 데이터 전송을 위한 통신 링크 규약

- 병렬, 직렬 연결 모두 가능