2주차 - park-gyubi/Computer GitHub Wiki

1-1 컴퓨터 하드웨어의 전체 구조

컴퓨터 하드웨어는 여러 부품이 서로 협력하여 데이터를 처리함.

핵심 구성

  • 입력장치: 데이터를 컴퓨터에 입력
  • CPU: 입력된 명령을 해석하고 계산 및 장치 제어
  • 메모리: 실행 중인 프로그램과 데이터를 임시 저장
  • 저장장치: 프로그램과 데이터를 장기간 저장
  • 출력장치: 처리된 결과를 사용자에게 전달

정보 처리 흐름

입력 -> 처리 -> 기억 -> 출력

사례: 문서 작성

키보드 입력 -> CPU·RAM에서 처리 -> SSD에 저장 -> 모니터로 출력

주의: 하나의 부품이 혼자 처리하는 것이 아니라 여러 하드웨어가 서로 협력하여 작업함.

1-2 CPU는 무엇을 하는가

CPU(Central Processing Unit): 프로그램의 명령어를 해석하고 계산하며 컴퓨터의 여러 장치를 제어하는 중앙처리장치

CPU의 주요 역할

  • 명령 해석
  • 계산
  • 장치 제어

CPU 내부 구성

  • 제어장치: 명령을 해석하고 다른 장치에 필요한 작업을 지시
  • 산술논리연산장치(ALU): 산술 연산과 논리 연산 수행
  • 레지스터: CPU 내부에서 데이터와 명령을 빠르게 임시 저장

사례: 결제 금액 계산

가격 × 수량 -> 할인 조건 비교 -> 결과 계산

주의: CPU가 스스로 작업의 의미를 이해하는 것이 아니라 프로그램의 명령을 실행함.

CPU 심화

명령어 처리 주기

인출 -> 해독 -> 실행 -> 저장 -> 반복

  • 인출(Fetch): 메모리에서 실행할 명령어를 가져옴.
  • 해독(Decode): 가져온 명령어의 의미를 해석
  • 실행(Execute): ALU 등을 이용하여 명령 수행
  • 저장(Store): 수행 결과를 레지스터나 메모리 등에 저장

CPU 내부 협력

제어장치 <-> ALU <-> 레지스터

  • 제어장치 -> ALU: 작업 지시
  • ALU <-> 레지스터: 계산에 필요한 데이터 및 결과 전달
  • 레지스터 -> 제어장치: 필요한 값 임시 저장 및 전달

사례: 12 × 5

입력 -> 레지스터 -> ALU 계산 -> 결과 60 -> 화면 출력

현대 CPU 기술

  • 파이프라이닝: 여러 명령어의 처리 단계를 겹쳐서 수행
  • 분기 예측: 프로그램의 다음 실행 경로를 미리 예측
  • CPU·GPU·NPU 협력: 작업의 특성에 따라 여러 처리장치가 협력

주의: CPU 성능은 GHz 하나만으로 결정되지 않으며 구조, 코어, 캐시, 메모리, 프로그램 등이 함께 영향을 줌.

1-3 명령어 처리 과정

프로그램은 많은 작은 명령어로 구성되며 CPU는 각각의 명령어를 순서에 따라 반복하여 처리함.

명령 주기

  1. 인출: 명령 가져오기
  2. 해독: 명령의 뜻 확인
  3. 실행: 계산 또는 데이터 이동
  4. 저장: 처리 결과 남기기

인출 -> 해독 -> 실행 -> 저장 -> 반복

사례: 음악 재생

파일 확인 -> 읽기 -> 압축 해제 -> 소리 전달

주의: 프로그램 전체를 한꺼번에 처리하는 것이 아니라 작은 명령을 빠르게 반복하여 처리함.

명령어 처리 심화

명령어의 구조

  • 연산 코드(Opcode): 어떤 연산을 수행할지 지정
  • 피연산자(Operand): 연산의 대상이 되는 데이터나 위치

예시: ADD R3, R1, R2

인출의 내부 흐름

PC -> MAR -> 메모리 -> MDR -> IR

  • PC(Program Counter): 다음에 실행할 명령어의 주소
  • MAR(Memory Address Register): 접근할 메모리 주소
  • MDR(Memory Data Register): 메모리에서 읽거나 쓸 데이터
  • IR(Instruction Register): 현재 실행할 명령어

세 가지 버스

  • 주소 버스: 접근할 목적지의 주소 전달
  • 데이터 버스: 실제 데이터 전달
  • 제어 버스: 읽기·쓰기 등의 제어 신호 전달

파이프라이닝

여러 명령어의 인출, 해독, 실행, 저장 단계를 겹쳐 처리하여 처리량을 증가시킴.

파이프라인 위험

  • 데이터 위험
  • 제어 위험
  • 구조적 위험

위험이 발생하면 충돌을 처리해야 하므로 처리량이 감소할 수 있음.

실행 사례

LOAD R1,[100] -> LOAD R2,[104] -> ADD R3,R1,R2 -> STORE [108],R3

12와 5를 메모리에서 불러옴 -> 더하여 17 생성 -> 결과를 메모리에 저장

핵심: 명령어 실행은 작은 데이터 이동과 제어가 정확한 순서로 반복되는 과정임.

1-4 CPU의 성능을 결정하는 요소

CPU의 성능은 하나의 수치가 아니라 여러 요소의 영향을 받음.

CPU 성능 요소

  • 클럭
  • 코어
  • 스레드
  • 캐시
  • 설계 구조
  • 발열

클럭

  • CPU가 작업을 진행하는 기본적인 동작 속도와 관련된 수치
  • 주로 GHz 단위 사용

주의: GHz가 2배라고 실제 모든 작업이 항상 2배 빨라지는 것은 아님.

코어

  • CPU 내부에서 명령어를 처리할 수 있는 핵심 처리 단위
  • 여러 코어를 이용하면 여러 작업을 병렬로 처리하는 데 유리함.

스레드

  • CPU가 처리하는 작업의 실행 흐름
  • 멀티스레딩을 지원하는 CPU는 하나의 코어에서 여러 실행 흐름을 처리할 수 있음.

캐시

  • CPU가 자주 사용하는 데이터를 빠르게 가져올 수 있도록 가까이에 저장하는 고속 메모리

작업별 차이

  • 문서 작성: 반응성과 단일 작업 성능 중요
  • 영상 편집: 여러 작업을 동시에 처리하는 다중 코어 성능 중요

발열과 성능

온도 상승 -> 스로틀링 -> 성능 제한

  • 스로틀링: 과도한 발열을 방지하기 위해 CPU의 동작 속도를 낮추는 것

따라서 CPU를 비교할 때는 GHz만 비교하지 않고 세대, 구조, 코어, 작업 종류 등을 함께 확인해야 함.

1-5 메인보드와 부품의 연결

메인보드: CPU, 메모리, 저장장치, 그래픽 장치 등 컴퓨터의 여러 부품을 연결하는 중심 기판

주요 구성

  • CPU 소켓
  • 메모리 슬롯
  • 저장장치 연결부
  • 확장 슬롯
  • 입출력 포트

버스의 세 통로

  • 데이터 버스: 실제 데이터 전달
  • 주소 버스: 데이터를 읽거나 쓸 위치 전달
  • 제어 버스: 읽기, 쓰기 등의 제어 신호 전달

사례: 키보드 입력

키보드 -> USB 포트 -> 메인보드 -> CPU -> 그래픽 장치 -> 모니터

부품 호환성 확인

  • CPU 소켓
  • 메모리 세대
  • 부품 크기
  • 전원
  • 펌웨어

주의: 컴퓨터 부품은 성능만 보고 구매하는 것이 아니라 메인보드 및 다른 부품과의 호환성을 확인해야 함.

2-1 메모리는 왜 필요한가

메모리(RAM): 실행 중인 프로그램과 데이터를 저장하는 CPU의 작업 공간

저장장치가 존재하더라도 CPU가 모든 데이터를 저장장치에서 직접 처리하면 속도가 느리기 때문에 빠른 메모리가 필요함.

속도 차이

SSD -> RAM -> 캐시 -> CPU

느림 -----------------> 빠름

책상 비유

  • 서랍 = 저장장치
  • 책상 위 = RAM
  • 손의 메모 = 레지스터

현재 사용하는 자료를 책상 위에 올려놓는 것처럼 실행 중인 프로그램과 데이터를 RAM에 올려 빠르게 사용함.

주의: RAM의 용량을 늘린다고 모든 작업의 속도가 항상 빨라지는 것은 아니며 CPU, 저장장치 등의 병목도 함께 확인해야 함.

사례: 브라우저 탭

여러 브라우저 탭을 동시에 실행하면 각각의 프로그램과 데이터가 메모리를 사용하므로 RAM 사용량이 증가함.

2-2 RAM과 ROM

RAM

  • 빠른 읽기·쓰기 가능
  • 실행 중인 작업을 임시 보관
  • 전원이 꺼지면 내용이 사라지는 휘발성 메모리

ROM·플래시

  • 컴퓨터 동작에 필요한 기본 정보나 펌웨어 저장
  • 전원이 꺼져도 내용 유지
  • 정해진 절차를 통해 업데이트 가능

컴퓨터 시작 과정

전원 -> 펌웨어 점검 -> 운영체제 시작

주의: ROM은 절대로 변경할 수 있는 메모리라는 의미가 아님. 현대의 펌웨어는 플래시 메모리를 이용하는 경우가 많아 정해진 방법으로 업데이트 가능함.

정보의 구분

  • 전원이 꺼져도 남아야 하는 정보: 펌웨어, 저장 파일 등
  • 사라져도 되는 정보: 실행 중 RAM에 임시 저장된 작업 데이터 등

2-3 캐시 메모리

캐시 메모리: CPU가 자주 사용할 것으로 예상되는 데이터와 명령어를 CPU 가까이에 보관하는 빠른 메모리

역할

자주 사용하는 데이터 가까이 보관 -> CPU의 메모리 접근 시간 감소 -> 처리 성능 향상

캐시 단계

  • L1: 가장 작고 빠름
  • L2: 중간
  • L3: 더 크며 여러 코어가 공유하는 경우가 많음

지역성

  • 시간 지역성: 방금 사용한 데이터를 가까운 시간 안에 다시 사용할 가능성이 높음.
  • 공간 지역성: 사용한 데이터와 가까운 위치의 데이터를 연속해서 사용할 가능성이 높음.

캐시 적중과 실패

  • 캐시 적중(Cache Hit): 필요한 데이터가 캐시에 존재 -> 즉시 사용
  • 캐시 실패(Cache Miss): 필요한 데이터가 캐시에 없음 -> RAM 등 하위 메모리에서 가져옴.

반복 계산이나 반복적인 데이터 접근에서 캐시의 효과가 커질 수 있음.

2-4 기억장치 계층 구조

기억장치는 속도, 용량, 가격의 차이 때문에 여러 단계로 구성됨.

계층 구조

레지스터 -> 캐시 -> RAM -> SSD -> HDD

위로 갈수록

  • 속도 빠름
  • 용량 작음
  • 가격 높음

아래로 갈수록

  • 속도 느림
  • 용량 큼
  • 가격 낮음

도서관 비유

  • 도서관 = 저장장치
  • 책상 = RAM
  • 펼친 책 = 캐시
  • 손의 메모 = 레지스터

모든 기억장치를 가장 빠른 장치로 만들면 비용과 용량 측면에서 비효율적이기 때문에 서로 다른 특성의 기억장치를 계층적으로 사용함.

2-5 메모리 사용과 성능 확인

컴퓨터가 느려졌다고 해서 항상 RAM 부족이 원인은 아니므로 여러 자원의 사용 상태를 함께 확인해야 함.

함께 확인할 지표

  • CPU 사용률
  • 메모리 사용률
  • 디스크 사용률

메모리 압박 흐름

RAM 부족 -> 가상 메모리 사용 -> 디스크 활동 증가 -> 전환 지연 -> 성능 저하

관찰 사례

  • 화상회의
  • 여러 브라우저 탭
  • 문서 편집

여러 프로그램을 동시에 실행하면 메모리 사용량이 증가할 수 있음.

주의: 메모리 사용률이 높다는 사실만으로 고장이라고 판단할 수 없음. 사용 시간과 실제 체감 증상 등을 함께 확인해야 함.

성능 문제 확인 절차

증상 확인 -> 지표 관찰 -> 앱 종료 전후 비교 -> 원인 판단

3-1 저장장치의 역할

저장장치: 프로그램과 데이터를 전원이 꺼진 이후에도 유지하기 위한 장치

비휘발성 저장

  • 운영체제
  • 프로그램
  • 문서
  • 사진

전원 OFF -> 내용 유지

파일 시스템

파일과 저장 공간을 체계적으로 관리함.

  • 파일 이름
  • 위치
  • 크기
  • 시간
  • 블록 관리
  • 폴더
  • 권한

파일 저장과 열기

응용 프로그램 <-> 파일 시스템 <-> 저장장치

응용 프로그램이 저장장치에 직접 접근하는 것이 아니라 파일 시스템을 통해 파일을 관리하고 접근함.

주의: 저장장치의 용량이 크다고 해서 데이터가 안전한 것은 아니므로 별도의 백업이 필요함.

과제 파일 저장 과정의 예

응용 프로그램에서 저장 요청 -> 파일 시스템에서 파일 및 위치 관리 -> 저장장치에 데이터 기록

3-2 HDD와 SSD 비교

HDD(Hard Disk Drive)

  • 자기 디스크 사용
  • 기계적인 이동이 존재
  • 대용량·저렴
  • 충격과 소음에 주의

SSD(Solid State Drive)

  • 플래시 메모리 사용
  • 움직이는 기계 부품 없음
  • 빠르고 조용함
  • HDD보다 용량당 가격이 높은 편

작업별 배치

  • 운영체제·자주 사용하는 앱 -> SSD
  • 영상 원본·장기 보관 -> HDD + 백업

주의: 모든 SSD의 속도가 같은 것은 아니며 SATA, NVMe, 제품 구조 등에 따라 성능 차이가 발생함.

용도별 예시

  • 노트북: 빠른 실행 속도와 이동성이 중요하므로 SSD가 유리
  • 영상 서버: 대용량 저장이 중요하므로 SSD와 HDD를 목적에 따라 조합 가능

3-3 입력장치의 종류와 원리

입력장치: 현실 세계의 정보나 사용자의 명령을 컴퓨터가 처리할 수 있는 디지털 데이터로 변환하는 장치

키보드

키 위치 -> 코드

예: A 키 -> 01000001 등의 문자 코드로 처리

마우스

움직임·클릭 -> 좌표·신호

예: 마우스 이동 -> 화면상의 좌표 변화

마이크

소리의 진동 -> 디지털 값

카메라

빛 -> 화소 값

센서

  • 온도 -> 디지털 데이터
  • 가속도 -> 디지털 데이터
  • 거리 -> 디지털 데이터

사례: 스마트폰 얼굴 인식

카메라 입력 -> 얼굴 특징 분석 -> 특징값 생성 -> 저장된 정보와 비교 -> 일치 판단

주의: 입력 데이터의 품질은 해상도, 표본화 방식, 센서 오차 등의 영향을 받음.

3-4 출력장치의 종류와 원리

출력장치: 컴퓨터가 처리한 디지털 데이터를 사람이 인식할 수 있는 형태로 변환하여 제공하는 장치

모니터

디지털 데이터(0과 1) -> RGB 픽셀 -> 화면

주요 특성:

  • 밝기·색
  • 해상도
  • 주사율

스피커

디지털 음향 신호 -> 디지털 파형 -> 스피커 진동 -> 공기 진동 -> 소리

프린터

디지털 데이터 -> 종이에 출력

햅틱

디지털 상태 및 신호 -> 진동·힘으로 사용자에게 전달

동영상 재생 흐름

파일 해독 -> 영상 프레임 + 음향 신호 -> 모니터 + 스피커

출력장치를 선택할 때는 게임, 인쇄, 접근성 등 사용 목적에 따라 필요한 출력 특성이 달라짐.

3-5 목적에 맞는 컴퓨터 사양 선택

비싼 컴퓨터가 모든 사용자에게 가장 적합한 것은 아니며 사용 목적에 맞게 부품의 우선순위를 결정해야 함.

선택 순서

목적 -> 프로그램 요구 -> 예산 -> 균형 -> 확장성

용도별 우선순위

  • 강의·문서: SSD, 배터리
  • 프로그래밍: RAM, CPU 코어
  • 영상·3D: CPU, GPU, 대용량 저장장치

이동성

노트북 등의 이동용 컴퓨터는 성능뿐만 아니라 다음 요소도 고려해야 함.

  • 무게
  • 배터리
  • 충전
  • 내구성

균형 점검

CPU, RAM, 저장장치, GPU의 성능이 특정 부품에 지나치게 치우치지 않도록 구성해야 함.

주의: 한 부품만 지나치게 높은 성능으로 구성하면 다른 부품이 병목이 될 수 있으며 호환성과 발열 문제

확인 문제

  1. 스마트폰 사진 촬영을 네 단계로 나누면? 입력 -> 처리 -> 저장 -> 출력
  2. 12 x 5 계산에서 세 부분의 역할은? 제어 장치(CU): 연산을 지시 산술논리연산장치(ALU): 계산 레지스터: 12, 5, 최종 결과등 임시 저장
  3. 두 수의 덧셈을 네 단계로 설명하기 인출: 메모리에서 덧셈 명령어와 두 수를 가져외기 해독: CPU의 제어장치가 덧셈 명령어를 해석 실행: 산술/논리 연산장치가 두 수를 더함 저장: 계산 결과를 레지스터나 메모리에 저장
  4. 강의 시청 용과 4K 편집 용의 우선 요소는? 강의 시청 - 클락 속도, 기본적인 CPU 성능 4K 영상 편집 - 코어 수, 스레드, 캐시, CPU 성능
  5. 세 부품 구매 전에 무엇을 확인할까? CPU, 메인보드, RAM 등의 호환성, 전원, 전력, 지원 조건
  6. 브라우저 탭이 많으면 왜 느려질까? 각 탭이 RAM과 CPU 자원을 사용하여 RAM이 부족해지며 SSD를 사용하고 결국 느려지게 된다.
  7. 남아야 할 정보와 사라져도 될 정보는? 계속 보관해야 하는 정보 - ROM 작업 중 임시로 필요한 정보 - RAM
  8. 반복 계산이 캐시의 도움을 받는 이유는? 자주 사용하는 데이터와 명령어를 CPU 가까이에 있는 빠른 캐시 메모리에 보관하기 때문이다.
  9. 속도, 용량, 가격으로 순서를 설명해보세요. 속도: HDD < SSD < RAM < 캐시 < 레지스터 용량: 레지스터 < 캐시 < RAM < SSD < HDD 가격: HDD < SSD < RAM < 캐시 < 레지스터
  10. 과제 파일 저장 과정을 세 역할로 나누어 보세요. 파일-> 파일 시스템-> 저장장치
  11. 노트북과 영상 서버의 저장장치 조합은? 노트북 - SSD 영상 서버 - HDD
  12. 온라인 수업의 입력장치 세 가지는? 키보드, 마이크, 웹캠

필기 내용을 chat gpt로 다듬어 요약 정리함

⚠️ **GitHub.com Fallback** ⚠️