컴퓨터 구조 - bckkingkkang/kahyun_javaStudy4 GitHub Wiki

컴퓨터 구조

  1. 입력 받기 : 컴퓨터 시스템에 데이터와 지침을 입력하는 프로세스
  2. 데이터 저장 : 필요할 때 처리할 수 있도록 데이터와 지침을 저장한다.
  3. 데이터 처리 : 데이터를 유용한 정보로 변환하기 위해 데이터에 대한 산술, 논리 연산을 수행한다.
  4. 출력 정보 : 인쇄된 보고서나 시각적 디스플레이와 같이 사용자에게 유용한 정보나 결과를 생성하는 프로세스
  5. 워크플로 제어 : 위의 모든 작업이 수행되는 방식과 순서를 지시한다.
  • 입력장치 : 컴퓨터에 데이터를 입력하는 데 도움이 되는 장치, 사용자와 컴퓨터 사이에 링크를 생성한다. 입력 장치는 정보를 컴퓨터가 이해할 수 있는 형식으로 변환한다.
  • CPU (중앙처리장치)
  • 출력 유닛 : 출력 장치는 컴퓨터에서 정보를 얻는 데 도움이 되는 장치로 구성된다. 이 장치는 컴퓨터와 사용자 사이의 링크로 출력 장치는 컴퓨터의 출력을 사용자가 이해할 수 있는 형식으로 변환한다.

CPU

중앙 처리 장치(CPU) 구성 기능

  • CPU는 컴퓨터의 두뇌로 간주된다.
  • CPU는 모든 유형의 데이터 처리 작업을 수행한다.
  • 데이터, 중간 결과, 명령어(프로그램)를 저장한다.
  • 컴퓨터의 모든 부분의 작동을 제어한다.

CPU 자체의 세 가지 구성 요소

1. 메모리 또는 저장 장치

이 장치는 지침, 데이터 및 중간 결과를 저장할 수 있다. 이 장치는 필요할 때 컴퓨터의 다른 장치에 정보를 제공한다.
내부 저장 장치, 주 메모리, 기본 저장소 또는 RAM(Random Access Memory)이라고도 한다.

크기는 속도, 전력 및 성능에 영향을 미치며, 주 메모리와 보조 메모리는 컴퓨터의 두 가지 유형의 메모리이다.

  • 메모리 장치의 기능
  1. 처리에 필요한 모든 데이터와 지침을 저장한다.
  2. 처리의 중간 결과를 저장한다.
  3. 처리 결과가 출력 장치에 공개되기 전에 최종 처리 결과를 저장한다.
  4. 모든 입력과 출력은 메인 메모리를 통해 전송된다.
2. 제어 장치

이 장치는 컴퓨터의 모든 부분의 작동을 제어하지만 실제 데이터 처리 작업을 수행하지는 않는다.

  • 제어 장치의 기능
  1. 컴퓨터의 다른 장치 간 데이터 및 명령 전송을 제어하는 역할을 담당한다.
  2. 컴퓨터의 모든 장치를 관리하고 조정한다.
  3. 메모리에서 명령을 받아 이를 해석하고 컴퓨터 작동을 지시한다.
  4. 저장소의 데이터나 결과를 전송하기 위해 입출력 장치와 통신한다.
  5. 데이터를 처리하거나 저장하지 않는다.
3. ALU(산술 논리 장치)

산술, 로직 두 개의 하위 섹션으로 구성

  • 산술 섹션 : 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈과 같은 산술 연산을 수행하는 기능으로 모든 복잡한 작업은 위의 작업을 반복적으로 사용하여 수행된다.
  • 로직 섹션 : 논리부의 기능은 데이터의 비교, 선택, 일치, 병합과 같은 논리 작업을 수행하는 것이다.

메모리

컴퓨터 메모리는 컴퓨터에서 데이터를 처리하고 처리에 필요한 명령을 저장하는 저장 공간이다
메모리는 셀이라고 불리는 수많은 작은 부분으로 나누어져 있고, 각 위치나 셀에는 0부터 메모리 크기에서 1을 뺀 값까지 다양한 고유 주소가 있다.

  • 메모리 유형
    • 캐시 메모리
    • 주 메모리
    • 보조 메모리

캐시 메모리

  • 캐시 메모리는 CPU 속도를 높일 수 있는 초고속 반도체 메모리로 CPU와 메인 메모리 사이의 버퍼 역할을 한다.
  • CPU에서 가장 자주 사용하는 데이터 및 프로그램 부분을 보관하는 데 사용
  • 데이터와 프로그램의 일부는 운영 체제에 의해 디스크에서 캐시 메모리로 전송되며, 여기에서 CPU가 액세스할 수 있다.

장점

  • 캐시 메모리는 메인 메모리보다 빠르다.
  • 단시간 내에 실행할 수 있는 프로그램을 저장한다.
  • 메인 메모리에 비해 엑세스 시간이 적게 소요된다.
  • 임시 사용을 위해 데이터를 저장한다.

단점

  • 캐시 메모리는 용량이 제한되어 있다.
  • 가격이 비싸다.

주 메모리

  • 기본 메모리에는 컴퓨터가 현재 작동 중인 데이터와 명령만 보관
  • 용량이 제한되어 있어 전원을 끄면 데이터가 손실된다.
  • 일반적으로 반도체 소자로 구성되며 이러한 메모리는 레지스터만큼 빠르지 않다.
  • 처리에 필요한 데이터와 명령은 주 메모리에 있다.
  • RAMROM의 두 가지 하위 범주로 나뉜다.

메인 메모리의 특징

  • 반도체 메모리
  • 주 기억장치로 알려져 있다.
  • 일반적으로 휘발성 메모리
  • 전원이 꺼지면 데이터가 손실
  • 컴퓨터의 작업 메모리
  • 2차 기억보다 빠르다.
  • 컴퓨터의 기본 메모리 없이는 실행될 수 없음

보조 메모리

  • 외부 메모리 또는 비휘발성
  • 주 메모리보다 속도가 느리며 데이터/정보를 영구적으로 저장하는데에 사용
  • CPU는 이러한 메모리에 직접 액세스하지 않고 대신 입출력 루틴을 통해 액세스한다.
  • 보조 메모리의 내용은 먼저 주 메모리로 전송된 다음 CPU가 이에 액세스할 수 있다.
  • ex.CD-ROM, DVD, ...

보조기억의 특징

  • 자기 및 광학 메모리
  • 백업 메모리
  • 비휘발성 메모리
  • 전원이 꺼지더라도 데이터는 영구적으로 저장
  • 컴퓨터에 데이터를 저장하는 데 사용
  • 컴퓨터는 보조 메모리 없이 실행될 수 있음
  • 1차 기억보다 느림

RAM (Random Access Memory)

  • 데이터, 프로그램, 프로그램 결과를 저장하는 CPU의 내부 메모리이다. 기계가 작동할 때까지 데이터를 저장하는 읽기/쓰기 메모리로 기기의 전원을 끄는 즉시 데이터가 삭제된다.
  1. RAM의 액세스 시간은 주소와 무관하다.
    • 즉, 메모리 내부의 각 저장 위치는 다른 위치만큼 도달하기 쉽고 동일한 시간이 걸린다.
    • RAM의 데이터는 무작위로 액세스할 수 있지만 매우 비싸다.
  2. RAM은 휘발성이다.
    • 컴퓨터를 끄거나 정전이 발생하면 RAM에 저장된 데이터가 손실된다. 따라서 백업 무정전 전원 시스템(UPS)이 컴퓨터에 사용되는 경우가 많다.
    • RAM은 물리적 크기와 저장할 수 있는 데이터 양이 작다.
  3. RAM의 두 가지 유형
    • 정적 RAM (SRAM)
    • 동적 RAM (DRAM)

정적 RAM (SRAM)

  • 정적 전원이 공급되는 동안 메모리의 내용이 유지된다. 그러나 휘발성의 특성 상 전원이 꺼지면 데이터가 손실된다.
  • SRAM 칩은 6개의 트랜지스터 매트릭스를 사용하며 커패시터는 사용하지 않는다.
    • 트랜지스터는 누설을 방지하기 위해 전원이 필요하지 않으므로 SRAM을 정기적으로 새로 고칠 필요가 없다.
    • 매트릭스에 추가 공간이 있으므로 SRAM은 동일한 양의 저장 공간에 대해 DRAM보다 더 많은 칩을 사용하며 제조 비용이 더 높아진다.
  • SRAM은 캐시 메모리로 사용되며 매우 빠른 액세스를 제공한다.
  • 정적 RAM의 특성
    • 긴 수명
    • 새로 고칠 필요가 없음
    • 캐시 메모리로 사용
    • 비싸고 빠르며 큰 사이즈
    • 높은 전력 소비

동적 RAM (DRAM)

  • SRAM과 달리 데이터를 유지하기 위해 지속적으로 새로 고쳐야 한다.
    • 초당 수백 번씩 데이터를 다시 쓰는 새로 고침 회로에 메모리를 배치함으로써 수행된다.
  • DRAM은 가격이 저렴하고 크기가 작아 대부분의 시스템 메모리에 사용된다.
  • 모든 DRAM은 하나의 커패시터와 하나의 트랜지스터로 구성된 메모리 셀로 구성된다.
  • 동적 RAM의 특성
    • 짧은 데이터 수명
    • 지속적으로 새로고침이 필요함
    • SRAM에 비해 속도가 느림
    • 더 작은 크기, 저렴함
    • RAM으로 사용됨
    • 적은 전력 소비

ROM

읽기 전용 메모리, 읽을 수만 있고 쓸 수는 없는 메모리이다. 이 유형의 메모리는 비휘발성이며 정보는 제조 과정에서 해당 메모리에 영구적으로 저장된다.
ROM에는 컴퓨터를 시작하는 데 필요한 지침이 저장되어 있고, 이 작업을 부트스트랩이라고 한다.
또한 ROM 칩은 컴퓨터 뿐만 아니라 세탁기, 전자레인지 등 전자제품에도 사용된다.

  • ROM의 장점
    • 본질적으로 비휘발성이다. (영구적으로 데이터 저장 가능)
    • 실수로 변경할 수 없다. (읽기만 되기 때문에)
    • RAM보다 저렴하며 테스트하기가 쉽고 더 안정적이다.
    • 정적이며 새로 고침이 필요하지 않다.
    • 내용이 항상 알려져 있고 검증이 가능하다.

MROM

  • 마스크 ROM
  • 최초의 ROM은 미리 프로그래밍된 데이터 또는 명령 세트가 포함된 유선 장치였다. 이러한 종류의 ROM은 마스크형 ROM으로 알려져 있으며 가격이 저렴하다.

PROM

  • 프로그래밍 가능한 읽기 전용 메모리
  • PROM은 사용자가 한 번만 수정할 수 있는 읽기 전용 메모리이다. 사용자는 빈 PROM을 구입하고 PROM 프로그램을 이용하여 원하는 내용을 입력한다. PROM 칩 내부에는 프로그래밍 중에 끊어지는 작은 퓨지가 있어 한 번만 프로그래밍할 수 있으며 지울 수 없다.

EPROM

  • 삭제 가능하고 프로그래밍 가능한 읽기 전용 메모리
  • EPROM은 최대 40분 동안 자외선에 노출시켜 지울 수 있다. 일반적으로 EPROM 지우개가 이 기능을 수행한다.
  • 프로그래밍하는 동안 전하는 절연된 게이트 영역에 갇혀 있는데, 이 전하에는 누설 경로가 없기 때문에 10년 이상 전하가 유지된다. 이 전하를 지우기 위해 자외선이 석영 크리스탈 창(뚜껑)을 통과하고, 자외선에 노출되면 전하가 소멸된다.
  • 정상적인 사용 중에는 석영 뚜껑이 스티커로 밀봉되어 있다.

EEPROM

  • 전기적으로 삭제 및 프로그래밍 가능한 읽기 전용 메모리
  • EEPROM은 전기적으로 프로그래밍되고 삭제된다. 약 만 번 정도 지우고 다시 프로그래밍 할 수 있다.
  • 지우기와 프로그래밍 모두 약 4~10ms가 소요되며 EEPROM에서는 모든 위치를 선택적으로 지우고 프로그래밍 할 수 있다.
  • EEPROM은 전체 칩을 지우는 대신 한 번에 1바이트 씩 지울 수 있다. 따라서 재프로그래밍 과정은 유연하지만 느리다.

단위, 숫자 체계

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