컴퓨터개론 2주차 과제 - ehdaud/ec GitHub Wiki

1-1. 컴퓨터 하드웨어의 전체 구조

컴퓨터 부품은 독립적으로 작동하는 것이 아니라 '입력 → 처리 → 기억 → 출력'으로 이어지는 하나의 시스템으로 연결되어 있음.

부품별 역할:

입력장치: 사용자로부터 데이터 및 명령어를 입력받음(키보드, 마우스 등)

CPU: 전달받은 명령어를 해석·계산하고 제어함.

기억장치: 작업 중인 데이터를 임시 보관하거나 프로그램·파일을 오래 보관함(RAM / SSD,HDD)

출력장치: 처리된 결과를 사용자에게 전달함(모니터, 스피커 등)

스마트폰 사진 촬영 4단계:

  1. 입력: 카메라 렌즈로 빛이 들어오고, 사용자가 촬영 버튼을 누름.

  2. 처리: AP(ISP/CPU)가 빛 데이터를 연산하여 색상 보정 및 화질을 개선함.

  3. 기억: 처리된 사진을 RAM에 임시 저장 후, 내장 메모리에 저장함.

  4. 출력: 완성된 사진을 스마트폰 화면(디스플레이)에 보여줌.

1-2. CPU는 무엇을 하는가

CPU는 프로그램의 명령어를 해석 및 계산하고 타 장치의 동작을 제어하는 핵심 부품임(명령 해석 > 계산 > 장치 제어)

CPU 핵심 3대 요소:

제어장치: 명령어가 순서대로 실행되도록 신호를 발생시키고 제어함.

산술논리연산장치: 수치 계산(산술) 및 조건 판단(논리 연산)을 수행함.

레지스터: CPU 내부에서 당장 처리할 데이터와 명령어를 임시 저장하는 고속 메모리.

심화 학습

CPU 성능은 구조, 코어, 캐시, 메모리, 프로그램의 종합결과임.

명령어 처리 주기: CPU는 인출 $\rightarrow$ 해독 $\rightarrow$ 실행 $\rightarrow$ 저장 과정을 반복하며 명령어를 수행함.

현대 CPU 기술:

파이프라이닝: 명령어 처리 단계(인출, 해독, 실행, 저장)를 단계별로 겹쳐서 수행함으로써 전체 처리량을 높이는 기술임.

분기 예측: 조건문에서 다음에 실행될 경로를 미리 예측하여 실행 효율을 높임.

CPU,GPU,NPU 협력: 복잡한 제어 및 범용 연산은 CPU, 그래픽 및 병렬 연산은 GPU, 인공지능 신경망 연산은 NPU가 담당하여 효율적으로 협업함.

1-3. 명령어 처리 과정

프로그램의 명령어가 CPU에서 처리될 때는 단번에 실행되는 것이 아니라 단계별 사이클을 반복해서 거침.

명령어 처리 4단계:

  1. 인출: 메모리에서 실행할 명령어를 CPU 내부 레지스터로 가져옴.

  2. 해독: 제어부에서 가져온 명령어가 무슨 의미인지 해석하고 필요한 데이터를 확인함.

  3. 실행: 연산장치 등을 통해 계산이나 데이터 이동 등의 실제 연산을 수행함.

  4. 저장: 연산된 최종 결과를 레지스터나 메모리에 기록함.

심화 학습

명령어 실행은 작은 이동과 제어가 정확한 순서로 반복되는 과정임.

명령어 구조: 연산 코드(Opcode)와 피연산자(Operand)로 구성. 연산 코드는 동작(더하기, 비교, 데이터 이동 등)을 지시하고, 피연산자는 연산 대상(숫자, 레지스터 번호 등)을 지정함.

명령어 인출 순서: PC $\rightarrow$ MAR $\rightarrow$ 메모 $\rightarrow$ MDR $\rightarrow$ IR 순으로 진행됨.

버스의 종류: CPU, 메모리 등 구성 요소 간 데이터 이동 통로임.

주소 버스: 접근하려는 메모리의 위치 정보를 전달함.

데이터 버스: 실제 명령어 및 데이터를 전달함.

제어 버스 : 읽기/쓰기 등의 제어 신호를 전달함.

파이프라이닝 위험: 데이터/제어/구조적 위험이 발생할 수 있어 신호 지연이나 분기 예측 등의 해결 기법이 필요함.

1-4. CPU의 성능을 결정하는 요소

CPU 성능은 단순 클럭 숫자(GHz) 하나만으로 결정되지 않으며 여러 구조적 요소와 환경의 복합적인 영향에 의해 좌우됨.

성능 결정 요소:

클럭 속도: 초당 동작 리듬 및 처리 횟수.

코어 및 쓰레드: 실제 처리 역할을 하는 핵심 단위 수 및 다중 작업 능력.

캐시 메모리: 자주 쓰는 데이터를 CPU 근처에 두는 고속 메모리.

설계 구조: CISC 및 RISC 등 아키텍처 방식.

발열: 발열이 심해지면 쓰로틀링이 발생하므로 적절한 냉각 시스템이 필수임.

*동일한 클럭 숫자라 하더라도 세대, 코어 수, 구조, 작업 별로 실제 작업 처리량 및 성능은 큰 차이가 남.

2-1. 메인보드와 부품의 연결

메인보드: CPU, 메모리, 저장장치, 그래픽카드 등 컴퓨터의 모든 부품을 탑재하고 연결하는 중심 기판임.

버스의 3가지 세 통로:

데이터 버스: 데이터가 이동하는 통로

주소 버스: 데이터가 저장될 위치(주소)를 전달

제어 신호: 각 장치의 동작을 제어하는 신호 전달

키보드 입력 경로: 키보드(USB 포트) → 메인보드 → CPU → 그래픽 장치 → 모니터 출력

*호환성 확인: 컴퓨터 부품 구매 전 CPU 소켓, 메모리 세대(DDR4/DDR5), 크기, 전원 용량, 펌웨어 등이 서로 호환되는지 확인해야 함.

2-2. 메모리는 왜 필요한가

메모리(RAM)의 역할: 저장장치(SSD/HDD)의 데이터를 가져와 실행 중인 프로그램이 작업할 수 있도록 공간을 제공하는 데이터의 작업 공간임.

속도 차이를 잇는 다리: CPU와 저장장치 사이의 큰 속도 격차를 줄이기 위해 RAM과 캐시 메모리가 중간에서 다리 역할을 함.

*RAM을 무작정 늘린다고 컴퓨터가 무조건 빨라지는 것은 아니며, 시스템 전체의 병목 현상을 고려해야 함.

2-3. RAM과 ROM

RAM:

읽고 쓰기가 매우 빠르며, 현재 작업 중인 임시 데이터를 저장함.

전원이 꺼지면 내용이 사라지는 휘발성 메모리임.

ROM & 플래시 메모리:

컴퓨터의 기본 정보 및 부팅 프로그램(BIOS 등)을 저장함.

전원이 꺼져도 내용이 유지되는 비휘발성 메모리임.

정해진 절차를 통해 업데이트(펌웨어 업데이트)가 가능함.

컴퓨터 시작 과정: 전원 → ROM의 부팅 프로그램 실행 → 저장장치의 운영체제를 RAM으로 로드하여 실행

2-4. 기억장치 계층 구조

계층 피라미드:

속도: 레지스터 > 캐시 > RAM > SSD > HDD

용량: 레지스터 < 캐시 < RAM < SSD < HDD

가격: 레지스터 > 캐시 > RAM > SSD > HDD

도서관으로 치면, 손의 메모는 레지스터, 펼친 책의 페이지는 캐시 메모리, 책상은 RAM, 도서관은 저장장치(SSD/HDD)임.

2-5. 메모리 사용과 성능 확인

메모리 압박: 메모리가 부족하면 RAM 부족분을 메우기 위해 가상 메모리(디스크) 사용량이 증가하여 성능 저하 및 전환 지연 현상이 발생함.

확인 절차: 증상 확인 → 작업별 메모리 사용량 확인 → 불필요한 앱 종료 후 비교 → 이후 원인 판단

*사용률이 높다고 무조건 고장이 아니며, 순간적인 사용량 증가인지 지속적인 높은 사용률인지 확인해야 함.

3-1. 저장장치의 역할

비휘발성 저장: 전원이 꺼져도 데이터(운영체제, 프로그램, 문서, 사진 등)가 유지되는 비휘발성 특성을 가짐.

파일 시스템 관리: 파일 이름, 위치, 크기, 시간 등의 메타데이터를 관리하며, 저장 공간을 블록 단위로 관리하고 폴더 구조 및 읽기/쓰기 권한을 제어함.

데이터 삭제, 복구: 파일 삭제 시 실제 데이터를 바로 지우는 것이 아니라 사용 가능한 공간으로 표시하기 때문에 복구가 가능함.

*대용량 저장장치라도 고장이나 악성코드의 위험이 있으므로 별도 장치나 클라우드 백업이 필요함.

3-2. HDD와 SSD 비교

HDD (하드디스크):

자기 디스크와 기계적 움직임을 사용함.

대용량을 저렴하게 구현할 수 있으나, 탐색 시간이 길고 충격·소음에 취약함.

SSD (솔리드 스테이트 드라이브):

플래시 메모리(반도체) 기반으로 동작함.

기계적 움직임이 없어 소음이 없고 속도가 매우 빠르나, 용량 대비 가격이 비쌈.

작업별 배치:

부팅 및 프로그램 실행(운영체제, 자주 쓰는 앱): SSD 배치

대용량 장기 보관(영상, 사진 원본, 백업): HDD 배치

3-3. 입력장치의 종류와 원리

입력장치는 외부 정보(문자, 소리, 빛, 움직임 등)를 컴퓨터가 처리할 수 있는 디지털 신호(0과 1)로 변환함.

입력장치 종류:

키보드·마우스: 키 눌림 위치나 움직임/클릭 신호를 좌표 및 코드 신호로 변환함.

마이크·카메라: 소리 진동이나 빛의 양을 전기 신호를 거쳐 디지털 및 화소 값으로 변환함.

센서: 온도, 가속도, 거리 등의 환경 정보를 전기 신호 및 표본화를 거쳐 디지털 데이터로 바꿈.

3-4. 출력장치의 종류와 원리

출력장치는 디지털 데이터(0과 1)를 사람이 인지할 수 있는 화면, 소리, 물리적 형태로 변환함.

출력장치 종류:

모니터: 디지털 데이터를 RGB 픽셀의 밝기와 색상 신호로 표현함.

스피커: 디지털 음향 신호를 전기 신호로 바꾼 뒤 스피커 진동판을 통해 공기 진동(소리)으로 변환함.

프린터·햅틱: 프린터는 인쇄물로 출력하며, 햅틱 장치는 진동과 힘을 이용하여 상태를 전달함.

동영상 재생 흐름: 압축 파일 해독 $\rightarrow$ 프레임/음 신호 생성 $\rightarrow$ 모니터와 스피커로 동시 출력되는 과정을 거침.

3-5. 목적에 맞는 컴퓨터 사양 선택

선택 순서: 사용 목적 $\rightarrow$ 요구 프로그램 사양 $\rightarrow$ 예산 $\rightarrow$ 부품 균형 $\rightarrow$ 확장성 순으로 고려함.

용도별 주요 부품 우선순위:

강의/문서: SSD, 배터리 효율 우선

프로그래밍: 고용량 RAM, CPU 코어 수 우선

영상 편집/3D 작업: 고성능 GPU, CPU, 대용량 저장장치 우선

*좋은 부품만 조합하는 것보다 부품 간 병목, 호환성, 발열을 종합적으로 점검해야 함.

*노트북의 경우 이동성(무게, 배터리, 충전 속도, 내구성)까지 고려해야 함.