[CS] 컴퓨터 시스템 구조 : 동작 방식, 하드웨어, CPU/HDD/RAM/그래픽카드/GPU

엘리스트랙 - <알아두면 쓸데 있는 컴퓨터 사이언스> 강의 내용 정리

1. 컴퓨터 시스템 구조

1-1. 컴퓨터 동작방식

컴퓨터의 문제 해결 과정

입력장치로 필요한 정보 획득 (= Input) → 획득한 정보 기억장치에 저장 → 저장된 정보를 처리장치로 연산 → 결과를 출력(처리된 정보를 사용자에게 보여줌)(= Output)

입력 장치

• 컴퓨터에서 외부 세계 정보를 획득하는 장치.
• 키보드, 마우스, 웹카메라 등.

정보 저장 (RAM, SSD, HDD)

• 컴퓨터에 저장되는 정보는 컴퓨터의 전원이 꺼지면 사라지는 정보(= 휘발성)로 컴퓨터의 전원이 꺼져도 남아있는 정보(= 비휘발성)로 나뉨.
  → 둘은 저장되는 위치가 다름.
• 컴퓨터의 전원이 꺼지면 사라지는 정보는 주기억장치인 RAM(= 휘발성 메모리)에 저장되고, 컴퓨터의 전원이 꺼져도 남아있는 정보는 보조기억장치인 HDD(= 비휘발성 메모리)에 저장됨.
• 보조기억장치에는 HDD, SSD등이 있음. SSD가 HDD보다 성능 훨씬 우수함.

정보 처리 (CPU, GPU)

• 저장된 정보를 토대로 결과를 만들어 내는 작업 수행.
• 데이터를 기억장치에서 읽어와 연산을 통해 결론을 도출하는 기능을 수행. (기억장치: 주기억장치(RAM), 보조기억장치(HDD, SSD))
• CPU(연산, 제어), GPU(추가적 처리 장치. 많은 작업을 빠르게 수행하기 위해 사용.)

출력 장치

• 모니터, 스피커, 프린터 등.

1-2. 컴퓨터 시스템 : 하드웨어, 소프트웨어

ware : 언급된 재료나 방식으로 만들어진 제품들을 가리킴.
Hardware : 쉡게 변형할 수 없는 물리적 구성요소

Software : 쉽게 변형할 수 있거나 지울 수 있는 구성요소

하드웨어

• 모니터, 키보드, 마우스, 본체, 스피커, 웹카메라, 프린터 등
• 본체 내부의 하드웨어 -> CPU, RAM, 하드디스크 등
• 물리적 기계 장치

소프트웨어

• 하드웨어를 동작시키는 프로그램. 하드웨어에게 명령을 내림.
  ex. 영상 재생 (재생 버튼을 클릭(→ 하드웨어)한 것 바탕으로 영상이 재생되도록 명령을 내림.)
• 시스템 소프트웨어와 응용 소프트웨어로 나눌 수 있음.
• 시스템 소프트웨어는 하드웨어에 접근해 동작시킴.
  ex. OS(window, mac, linux, android, ios)
• 응용 소프트웨어는 사용자가 원하는 기능을 제공.
  ex. 크롬, 문서 편집 툴과 같은 어플.

 

컴퓨터가 기능하기 위해선 하드웨어와 소프트웨어가 모두 필수적으로 필요.

소프트웨어가 없고 하드웨어만 있다면 명령을 내릴 수 없으므로 사용자가 원하는 작업을 할 수 없고,

하드웨어가 없고, 소프트웨어만 있다면 무수히 많은 명령들이 있으나 명령 수행 대상이 없음.

→ 하드웨어는 무엇을 할지 명령을 내려주는 소프트웨어가 필요하고, 소프트웨어는 명령을 수행할 하드웨어가 필요함.

2. 하드웨어

2-1. 간단한 하드웨어

케이스 : 나머지 하드웨어를 담고 있는 플라스틱 상자에 불과함.

전원공급장치(Power Supply Unit. PSU)

• 외부 전원에서 컴퓨터 시스템으로 전원이 들어오는 곳. (외부 전원 → 시스템 전원)
• 들어온 전원은 메인보드(=마더보드)에서 모든 개별 구성 요소에 할당됨.

마더보드(= Main Board)

• 컴퓨터 동작을 위해 필요한 하드웨어 주요 부품들이 장착되어 있음. "회로판"
• 각 부품에 필요한 전원 할당, 통신(부품 서로를 연결), (연결)흐름 제어
• 입출력장치도 모두 직간접적으로 마더보드와 연결되어 있음.

2-2. 복잡한 하드웨어

CPU (Central Processing Unit. Processer)

• 제어, 연산 기능 수행
• 제어 담당 유닛과 연산 담당 유닛이 나누어져 있음.
  • 제어가 이루어지는 Control Unit은 시스템 내부 데이터의 흐름을 조절하고 하드웨어 사이 통신을 모니터하고 통제함.
    데이터 입출력 제어, 신호의 성공적 전달여부, 데이터가 제 시간에 올바른 곳으로 갔는지 확인.
  • 연산이 이루어지는 ALU(Arithmethic and Logic Unit)은 Arithmethic 파트와 Logic 파트로 나눌 수 있음.
    • Arithmethic 파트는 계산 처리, Logic 파트는 논리적 비교 처리.
• CPU가 거의 모든 연산을 맡고 있으나 다른 하드웨어없이 동작할 순 없음.
• 빠른 계산 가능, 아주 적은 데이터만 가지고 있을 수 있음.
  => 데이터를 많이 가지고 있을 수 있는 장치 필요. => 램, 하드디스크 사용

HDD (Hard Disk Drive. Hard Disk. Storage)

• 컴퓨터가 꺼져도 남아있는 데이터와 설치된 프로그램이 저장됨. 비휘발성 메모리.
• 용량 큼(데이터 저장 多), (데이터에 접근하는) 속도 느림.
  => 즉각적으로 CPU가 원하는 정보 줄 수 없음. => 램 사용

RAM (Random Access Memory. Memory)

• 전원이 꺼지면 저장된 데이터 사라짐. 휘발성 메모리.
• 하드디스크에 저장된 데이터 중 지금 필요한 데이터를 RAM에 가져와 저장해둔다.
• 용량 적음(데이터 저장 多), (데이터에 접근하는) 속도 빠름.

그래픽카드

• GPU(Graphics Processing Unit), 메모리, 외부 입력 포트, 쿨러 등으로 구성.
• 주 기능은 GPU에서 이루어지기 때문에 GPU는 그래픽 카드 내부의 작은 연산 장치 임에도 GPU와 그래픽카드 명칭 혼용해서 사용함.
• GPU는 그래픽 연산을 빠르게 처리해 연산한 정보를 시각적으로 모니터에 출력함.
  화면에 그래픽 표시하기 위해선 많은 연산 동시에 처리해야 함. (=> 많은 양의 단순한 연산) (+ CPU에서는 복잡한 연산 수행)
• 딥러닝은 많은 양의 사칙 연산을 수행하기 때문에 딥러닝시 CPU가 아닌 GPU를 사용.

즉, 처리장치인 CPU는 모든 데이터를 연산(복잡한 연산 수행)하고, 다른 장치들을 제어한다.

처리장치가 처리해야 할 데이터는 RAM과 같은 주기억장치에서 가져온다. 주기억장치의 데이터는 하드디스크와 같은 보조기억장치에서 복사해오거나 키보드와 같은 입력장치로부터 받아온 것이다.

처리장치(CPU)에서 처리한 정보는 그래픽카드를 거쳐 모니터와 같은 출력장치에 출력되어 사용자에게 전달된다.