컴퓨터개론 2주차 - yulha1128000-cyber/qqwi GitHub Wiki

1-1. 하드웨어의 구조

Q. 여러 부품은 어떻게 협력할까?

A. 컴퓨터의 여러 하드웨어가 서로 연결되어 입력-> 처리-> 기억-> 출력의 과정을 수행하며 함께 동작한다.

  1. 하드웨어: 손으로 만질 수 있는 컴퓨터의 물리적인 구성 요소
  • 구성
  1. 정보처리 흐름: 입력-> 처리-> 기억-> 출력
  • 문서 작성 사례: 키보드(입력)-> CPU: 프로그램 명령 처리-RAM(저장)-> SSD-> 모니터(출력)

Q. 스마트폰의 사진 촬영의 네 단계 과정

A.

입력: 카메라가 주변의 빛과 이미지를 받아들임

처리: CPU가 사진 데이터를 처리함

기억(저장): 촬영한 사진을 스마트폰 저장공간에 저장함

출력: 화면에 촬영한 사진을 보여줌

1-2. CPU의 역할

Q. 컴퓨터의 두뇌는 무슨 일을 할까?

A. 컴퓨터의 두뇌는 CPU이고 CPU는 컴퓨터가 무슨 일을 해야 하는지 판단하고 실행하는 핵심 장치이다.

  1. CPU(중앙 처리 장치)
  • 프로그램의 명령을 해석하고 계산하고 다른 장치의 동작을 제어하는 핵심부품이다.
  • 내부
  • 제어장치(cu): 명령이 어떤 순서로 실행되는지 어떻게 실행되어 하는지에 대한 신호를 발생시키는 장치
  • 산술/논리 장치(ALU): CPU의 핵심 부품
  • 레지스터: 처리할 값과 명령을 일시적으로 보관
  1. 병목 현상: 한 단계가 늦어지면 다른 단계가 기다려야 한다.

Q. 12x5 계산에서의 역할

A.

제어장치(CU): 12 × 5라는 연산을 지시함

산술논리연산장치(ALU): 실제로 12 × 5 계산함

레지스터: 계산에 필요한 12, 5, 중간 결과, 최종 결과(60) 등을 임시 저장함

심화학습

Q. CPu는 어떻게 명령을 빠르게 처리할까?

A. 명령어를 인출, 해독, 실행, 저장하는 과정을 매우 빠르게 반복하고 파이프라이닝, 분기 예측, 캐시 등을 활용해 처리 속도를 높인다.

  1. CPU가 명령을 처리하는 과정: 메모리에 저장된 명령어를 해석하고 실행하며 결과를 저장하는 과정을 짧은 시간동안 반복한다.

  2. 명령어 처리 주기 4단계

  • 인출(Fetch): PC= 다음에 실행할 명령어의 메모리 주소를 저장한다.

  • 해독(Decode): 제어장치가 명령어를 보고 덧셈, 비교, 데이터 이동인지 판단한다, 제어회로가 중요

  • 실행: 주로 ALU(Arithmetic and Logic Unit)가 담당한다.

  • 저장: 계산 결과를 레지스터에 저장하고 PC가 다음 명령어를 가리키도록 변경되고 같은 과정을 반복한다.

  1. CPU 내부 협력

  1. CPU의 성능: 클락 하나가 아니라 구조, 코어, 캐시 등의 조합으로 결정한다.

  2. 파이프라이닝: 명령어 처리 단계를 겹쳐서 처리하여 처리량을 높인다.

  • 위험

데이터 위험: 앞 명령 결과가 준비되기 전에 뒤 명령이 참조

제어 위험: 분기 결과를 모른 채 다음을 처리

구조적 위험: 같은 자원(연산장치/메모리 통로)을 동시에 써야 하는 상황

  1. 분기 예측: 다음 실행 경로를 미리 예상하고 맞으면 이득이고 틀리면 처리한 것을 버리고 복구한다.

Q. 코어가 두 배면 항상 두 베 빠를까?

A. 아니다. 프로그램의 병렬 처리 가능 여부와 CPU 구조, 캐시, 메모리 등 전체 구성에 따라 실제 성능 향상 정도가 달라진다.

1-3. 명령어 처리 과정

Q. 프로그램 한 줄은 어떻게 실행될까>?

A. 프로그램의 명령어가 RAM에서 CPU로 이동한 뒤 CPU가 인출-> 해독-> 실행-> 저장 과정을 반복하며 처리한다.

  1. 명령주기

  1. 명령어의 위치: 하드 디스크에 있는 명령어가 RAM으로 옮겨지고 RAM에 있는 명령어가 CPU내부의 레지스터로 들어오며 CPU내부의 제어부에서 해석이 진행된다.

  2. 인출과 RAM의 병목: CPU가 빠르더라도 RAM의 속도가 느리면 병목 현상이 발생한다.

  3. 기계어 0과1: CPU가 이해하는 방법

사람은 c, java와 같은 언어로 작성하지만 CPU는 이를 컴파일을 통해 기계어(0101과 같은 2진수)로 변환된 형태의 명령을 처리한다.

  1. CPU의 실제 동작

프로그램을 통째로 읽어서 바르게 처리하지 않고 작업단위가 아닌 명령어 단위로 처리한다.

instruction: 0과 1로 된 기계어 형태이며 실제로는 우리가 작성한 프로그램이 컴파일되어 instruction들로 만들어지고 CPU는 이를 순서대로 빠르게 처리한다.

Q. 두 수의 덧셈을 네 단계로 실행

A.

  • 인출: 메모리에서 덧셈 명령어와 두 수를 가져온다.
  • 해독: CPU의 제어장치가 덧셈 명령어를 해석한다.
  • 실행: 산술/논리 연산장치가 두 수를 더한다.
  • 저장: 계산 결과를 레지스터나 메모리에 저장한다.

심화학습

Q. 명령어 하나는 CPU안에서 어떻게 이동하고 실행될까?

A. 메모리에서 명령어를 가져와 CPU에서 해석하고 필요한 연산을 수행한 뒤 결과를 저장한다.

  1. 명령어 구조: OP 코드, 오프랜드

연산 코드(OPcode): CPU가 무엇을 할지(더하기, 비교, 분기 등), 실제 숫자일 수도 있고 레지스터 번호일 수도 있다.

피연산자(Operand): 연산에 사용할 값, 레지스터 지정

  1. 명령어 집합(ISA): CPU마다 자기 명령어 집합이 존재한다.

명령어가 2진수로 바뀐 뒤 비트를 해석하는 회로가 OP 코드와 오퍼랜드를 구분한다.

  1. 인출 내부 흐름
  1. 3가지 버스: 주소버스, 데이터버스, 제어버스
  • 주소버스: 메모리 어느 위치 접근인지 전달
  • 데이터버스: 명령, 값 전달
  • 제어버스: 읽기, 쓰기 등 제어 신호 전달
  1. 제어 신호
  1. 예시 프로그램 load, add, store
  1. 인터럽트: 실행 중에 키보드 입력 같은 사건, 저장장치 처리, 작업 완료 등 예기치 않은 사건이 발생할 때 CPU에 알려 현재 작업을 잠깐 멈추고 CPU 상태 저장-> 인터럽트 처리 프로그램 실행-> 원래 프로그램 상태로 복귀

1-4. CPU의 성능을 결정하는 요소

  1. 성능의 6개 요소: 클락 속도(초당 동작 리듬), 코어 수, 스레드, 캐시, 설계 및 구조, 전력과 발열(냉각 포함)

  2. 클락 속도, 코어, 캐시

  • 클락 속도: CPU 내부에서 초당 몇 번 동작하느냐를 뜻하는 박자 ex) 3GHz = 초당 약 30억 번의 클락

  • 코어: 실제로 명령을 처리하는 실행 단위, 여러 개면 작업을 나눠 동시에 처리할 수 있다.

  • 캐시: CPU와 메모리(RAM) 사이의 빠른 임시저장 공간이고 RAM보다 빠르다.

  • RAM: 캐시처럼 빠른 저장소 역할을 한다.

  1. 아키텍처: CISC와 RISC
  1. 스로틀링: 발열, 냉각으로 인해 성능이 제한되는 현상이 발생한다.

Q. 강의 시청용과 4K편집용의 우선 요소는?

A.

강의 시청용: 클락 속도, 기본적인 CPU 성능

4K 영상 편집용: 코어 수, 스레드, 캐시, CPU 성능

1-5. 메인보드와 부품의 연결

Q. 부품은 어디에서 서로 연결될까?

A. 메인보드에서 CPU, RAM, 저장장치, 그래픽카드 등의 부품이 서로 연결되어 데이터를 주고받으며 동작한다.

  1. 메인보드의 구성 요소
  1. 입력, 처리, 출력의 경로 (병목 포함)
  1. 부품 호환, 업그레이드에서 중요한 것

CPU/메모리 등은 형태(소켓 모양), 세대, 전원 규격, 펌웨어, 호환 조건 등을 맞춰야 한다.

성능을 올리려 CPU만 바꿨는데 전체가 개선되지 않을 수 있는 이유: 고성능 CPU는 전력 소모가 커질 수 있다.

Q. 새 부품 구매 전 무엇을 확인할까?

A. 호환성, 전원, 전력, 지원 조건

2-1. 메모리는 왜 필요한가

Q. 저장장치가 있는데 RAM이 왜 필요한가?

A. 저장장치는 용량은 크지만 느리기 때문에 CPU가 현재 사용할 데이터를 빠르게 처리할 수 있도록 RAM에 필요한 데이터를 임시로 가져와 사용한다.

  1. 메모리: CPU가 현재 사용할 프로그램과 데이터를 빠르게 꺼낼 수 있도록 잠시 보관하는 역할을 한다.

  • 저장 장치(HDD, SSD): 장점= 저장 용량이 큼 / 단점= CPU보다 느림

  • RAM: 저장 장치에서 필요한 내용을 가져와 CPU 가까이에 두는 역할을 한다. (CPU는 RAM <-> 레지스트와 캐시 사이를 오가며 처리한다.)

  1. 병목에서의 계층 구조 필요: 중간 단계에서 하나가 느리면 병목이 발생하여 성능이 저하된다.

  2. RAM 용량을 늘리면 무조건 빨라질까? = NO

RAM 용량을 늘리면 보통 빨라질 수는 있지만 병목이 CPU나 저장 장치 쪽에 있으면 효과가 제한될 수 있다.

Q. 브라우저 탭이 많으면 왜 느려질까?

A. RAM 사용 증가-> RAM 부족-> SSD 사용-> 느려짐

2-2. RAM과 ROM

Q. 전원을 끄면 무엇이 남을까?

A. 전원을 꺼도 남아야 하는 정보는 ROM에 전원을 끄면 사라져도 되는 임시 정보는 RAM에 저장된다.

  1. RAM과 ROM의 핵심

Q. 남아야 할 정보와 사라져도 될 정보는?

A.

남아야 할 정보: ROM= 전원을 꺼도 필요한 기본 정보, 펌웨어·BIOS 등

사라져도 될 정보: RAM= 실행 중인 프로그램과 작업 데이터처럼 전원이 꺼지면 없어져도 되는 임시 정보

2-4. 기억장치 계층 구조

Q. 모두 다 빠른 장치인 캐시나 레지스터로 만들면 되지 않나?

A. 빠른 대신 용량이 작고 비싸서 현실적으로 불가능(사이즈,구조 복잡성도 문제)

  1. 계층 피라미드 (속도, 용량, 가격)
  1. RAM의 종류: DRAM, SRAM

Q. 속도, 용량, 가격으로 순서 설명 A.

속도: 레지스터 > 캐시 > RAM > SSD > HDD

용량: 레지스터 < 캐시 < RAM < SSD < HDD

가격: 레지스터 > 캐시 > RAM > SSD > HDD

2-5. 메모리 사용과 성능

Q. 메모리가 느려질 때 확인해야 할 절차는?

A. CPU, 메모리, 디스크 사용률 등을 시스템 모니터 또는 관리 프로그램에서 확인한다.

  1. 메모리(RAM) 부족: OS가 가상 메모리로 RAM 대신 디스크 일부를 활용

  2. 관찰되는 흐름: 브라우저 탭/문서 편집기 등 여러 작업을 열면 RAM 사용률이 증가하고 동시에 SSD 사용률도 올라가는 경향을 보인다. 이런 상황이 지속되면 성능 문제가 커질 수 있다.

3-1. 저장장치의 역할

Q. 파일은 전원을 꺼도 어떻게 남을까?

A. HDD나 SSD 같은 비휘발성 저장장치에 저장되기 때문에 전원을 꺼도 데이터가 유지된다.

  1. 저장장치
  • 하드디스크(HDD), SSD와 같은 외부 저장장치를 의미한다.
  • 비휘발성이라는 특징이 있다.
  • 운영체제, 실행 프로그램 등이 저장된다.
  • 저장장치의 용량이 크다고 해서 데이터가 무조건 안전한 것은 아니다.
  1. 파일과 파일 시스템

파일: 데이터만 가지고 있는 것이 아닌 파일 이름, 저장된 위치 등의 메타 데이터를 가진다.

파일 시스템: 저장 공간을 블록 단위로 관리하고 폴더 구조와 파일의 읽기와 쓰기 권한 등을 관리한다.

파일 저장과 삭제

  • 사진과 같은 파일을 저장하면 실제 데이터와 그 데이터를 찾기 위한 정보가 함께 관리된다.
  • 파일을 삭제한다고 해서 저장장치의 모든 비트가 즉시 완전히 없어지는 것은 아니다.

Q. 과제 파일 저장 과정을 세 역할로 나누기

A. 파일-> 파일 시스템-> 저장장치

3-2. HDD vs SSD

Q. 같은 용량인데 왜 속도와 가격이 다를까?

A. SATA 방식, NVMe 방식, 인터페이스, 컨트롤러, 캐시 메모리 등에 따라 성능이 달라질 수 있기 때문이다.

SATA 방식, NVMe 방식, 인터페이스, 컨트롤러, 캐시 메모리, NAND 메모리의 종류, 작업 부하 등에 따라 성능이 달라질 수 있다.

Q. 노트북과 영상 서버의 저장장치 조합은?

A. 노트북은 SSD, 영상 서버는 HDD로 구성된다.

3-3. 입력장치의 종류와 원리

Q. 현실의 정보는 어떻게 데이터가 될까?

A. 입력장치가 현실의 정보를 컴퓨터가 처리할 수 있는 디지털 신호로 변환한다.

  1. 입력장치의 종류와 원리

입력장치: 사람이 행동하거나 주변 환경에서 발생한 정보를 컴퓨터가 처리할 수 있는 디지털 신호로 변환하는 장치이다.

ex) 키보드, 마우스, 마이크, 카메라, 센서 등이 있다.

  1. 스마트폰 얼굴 인식
  1. 입력장치의 정보 변환: 해상도, 샘플링 빈도, 센서의 오차, 주변 환경 등에 따라 달라지거나 일부 정보가 손실될 수 있다.

Q. 온라인 수업의 입력 장치 세 가지는?

A. 카메라, 마이크, 키보드

3-4. 출력장치의 종류와 원리

Q. 0과 1은 어떻게 화면과 소리가 될까?

A. 컴퓨터의 0과 1을 모니터는 빛과 색으로 스피커는 진동으로 변환해 사람이 볼 수 있고 들을 수 있게 한다.

  1. 출력장치
  • 컴퓨터 내부의 0과 1로 이루어진 디지털 정보를 사람이 인식할 수 있는 형태로 변환하는 장치이다.
  • 출력장치의 종류

Q. 게임, 인쇄, 접근성에서 중요한 출력 특성은?

A.

게임: 높은 주사율과 빠른 응답 속도

인쇄: 높은 해상도와 색 정확도

접근성: 큰 글씨, 자막, 소리, 진동 등 정보를 쉽게 인식할 수 있는 기능

3-5. 목적에 맞는 컴퓨터 사양 선택

Q. 비싼 컴퓨터가 모두에게 가장 좋을까?

A. 아니다. 컴퓨터는 가격보다 사용 목적과 필요한 성능에 맞게 선택하는 것이 중요하다.

  1. 선택 순서
  1. 용도별 우선순위
  1. 컴퓨터 부품의 균형: 컴퓨터를 구성할 때는 병목, 호환성, 발열 등을 함께 고려해야 하고 판단할 때도 어떤 기준으로 판단하는지 생각하는 습관이 필요하다.

Q. 나의 선택표

A.

주요 작업 3개: 강의, 문서 작업, 프로그래밍

예산: 100~150만 원

우선 요소: CPU, RAM, SSD

포기할 요소: 고성능 GPU

이유: 강의, 문서 작업, 프로그래밍에 필요한 CPU, RAM, SSD의 성능이 중요하기 때문이다.