[컴정개론] 하드웨어

서울여자대학교 정보보호학과 김성욱 교수님의 컴퓨터및정보보호개론 수업을 듣고 작성한 요약본입니다.

교재: 컴퓨터의 이해 (3판), 김명주 외

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• 기억장치
  • 주기억장치와 보조기억장치
    • 컴퓨터에서 자료를 일시적 또는 영구히 보존하는 장치
    • 주기억장치: 컴퓨터 시스템 내부에서 프로그램이나 데이터를 보관하기 위한 기억장치
      • 프로그램을 저장하여 실행하는 프로그램 영역
      • 입력자료를 기억하는 영역
      • 출력자료를 기억하는 영역
      • 작업을 실행하여 중간계산결과를 기억하는 작업영역
      
      

      RAM	ROM
      휘발성 메모리	비휘발성 메모리
      읽기, 쓰기 가능	읽기만 가능
      운영체제 및 실행중인 프로그램이 상주하는 공간	컴퓨터 구동 시 필요 정보 보관

      • RAM
        • 접근하고싶은 곳으로 바로 접근할 수 있는 반도체 기억장치
        • 읽기, 쓰기가 모두 가능함
        • 전원이 끊어지면 내용이 지워지는 휘발성 성질을 가짐
        • 읽기, 쓰기 속도는 ns
        • SRAM
          • 전원이 공급되는 한 기록이 지속적으로 유지되는 반도체를 기본 소재로 사용함
          • 쓰기 명령이 있을 경우에만 재충전, 평소에는 멈춰있음
          • 일정한 간격으로 다시 기록해주는 리프레시 작업이 필요 없기 때문에 속도가 매우 빨라 소량의 고성능 부품 위주로 사용함
          • 1 cell(1bit용)이 6개의 트랜지스터로 구성됨
          • 전기 소모가 많고 가격이 비싸 활용 범위가 넓지 않음
        • DRAM
          • 1개의 cell이 1 캐패서터(capacitor)와 1개의 트랜지스터로 구성
          • 단위 면적당 저장능력이 높아 고용량 주 메모리로 사용
          • 시간(약 2ms)이 지나면 자연 방저나기 때문에 항상 재충전
          • 대기상태로 인해 SRAM보다 속도가 느림
            • RAM이 충전되는 동안 CPU가 메모리를 읽을 수 없는 상태가 됨
        • SDRAM
          • CPU와 클럭속도가 동기화되는 고속 DRAM
        • DDR SDRAM
          • 클럭 사이클의 상승단과 하강단 모두에서 명령어 또는 데이터를 주고받아 2배의 전송속도를 실현 → DDR2
          • 개선된 버전: DDR3, DDR4, DDR5(전송 비트수), DDR333, DDR400 (주파수)
        • PRAM
          • 열을 가함에 따라 비정질상태(0), 결정질상태(1)로 바뀌는 칼코게나이트 유리의 독특한 특성을 이용하여 데이터를 저장(플래심모리처럼 비휘발성 메모리이며 RAM처럼 빠름
      • ROM
        • 원칙적으로 읽기는 가능하나 쓰기는 불가느안 메모리
        • 전기공급이 없어도 기억된 내용이 지워지지 않는 비휘발성 반도체 기억장치
        • 컴퓨터를 처음 구동할 때 입출력에 관한 명령을 저장하는 메인보드 BIOS나 그래픽용 BIOS로 많이 사용됨
        • BIOS ROM
          • 시스템 입출력을 관리하는 역할
          • PC에 전원을 넣었을 때 가장 먼저 활성화되어 작동하는 부분
          • BIOS의 정보를 이용해 CPU는 각각의 플로피디스크 드라이브나 하드디스크 및 그 밖의 장치들을 초기화하고 작동시킴
        • Mask ROM
          • 제조공정에서 마스크에 데이터를 기록한 후 ROM에 기억시킴
        • PROM
          • 데이터를 한번에 한해 기록할 수 있는 ROM
          • 가격이 저렴하 가장 널리 사용됨
          • 데이터를 기록하기 위해 전기적 신호를 사용
          • ROM Writer라는 장치를 이용해 데이터를 기록
        • EPROM
          • 삭제가 가능한 ROM으로 UVPROM과 EEPROM으로 구분함
        • UVEPROM
          • 자외선을 이용하여 데이터를 삭제하는 EPROM
          • EPROM의 표면에 투명한 유리가 덮인 부분
            • 프로그램 삭제를 위한 부분으로 이 부분에 자외선을 쐬면 데이터가 모두 지워짐
          • 실수로 데이터가 지워지는 것을 막기 위해 자외선 차단 스티커를 붙임
        • EEPROM
          • 전기 신호를 이용해 데이터를 삭제함
      • Flash Memory
        • 전원을 꺼도 데이터가 지워지지 않으면서 데이터를 읽고 쓰는 것이 자유로운 메모리
        • 2001년부터 USB 드라이브에 사용 시작
        • 구현 방법에 따른 분류
          • NAND형(저장용량이 큼)
          • NOR형(속도가 빠름)
        • 발전 순서 CF > XQD > CF Express
        • 크기 순 SD(Secure Digital > Mini SD > Micro SD
        • 용량순 SD < SDHC < SDXC < SDUC
    • 보조기억장치: 컴퓨터 시스템 외부에서 프로그램이나 데이터를 보관하기 위한 기억장치
      • 주기억장치에 비해 속도가 상대적으로 느림 → 단위가격은 저렴
      • 대량의 자료를 영구적으로 저장 가능
      • 순차접근방식
        • 정보를 순차적으로만 읽고 쓸 수 있는 방식
        • 기록 밀도가 뛰어나지만 정보검색에 많은 시간이 걸리고, 자료를 삽입 또는 삭제할 경우 재구성 해야 함
        • 자기드럼
          • 1950년대 초기에 발명된 장치
          • 빠르게 회전하는 원통의 연마된 금속 표면에 자료를 저장
          • 판독기록 헤드와 자료트랙이 하나의 짝을 이루어 자료를 기록하거나 판독함
          • 여기서 처리된 자료들은 출력게이트를 통과해 컴퓨터나 드럼으로 향하는 방식
          • 속도가 너무 느리고 외부 기억장치로 사용
        • 자기테이프
          • 플라스틱 테이프 겉에 산화철 등의 자성 재료를 바른 테이프
          • 처리시간이 느리나 대용량의 데이터를 저장할 수 있기에 중요한 자료의 백업용으로 여전히 많이 사용함
      • 직접 접근 방식
        • 언제든지 필요한 위치에서 자료를 읽고 쓸 수 있음
        • 직접 접근 방식 저장장치
          • 플로피디스크
            • 자성체를 코팅한 원형의 마일러 필름 기판
            • 특별한 재킷 안쪽에서 회전하게 되어있음
            • 기록 밀도에 따라 2D, 2HD 등으로 분리
            • 크기에 따라 5.25인치, 3.5인치 등으로 분리
            • 한번 사용한 디스켓은 다시사용할 수 있어 입력매체에 소요되는 비용 절감
            • 저장된 데이터의 전환이나 수정이 쉬움
          • 하드디스크
            • 자성체를 입힌 원형판 알루미늄 기판을 회전시키면서 자료를 저장하고 읽고 쓸 수 있는 보조기억장치
          • CD
            • 1980년대 중반부터 보편화
            • 광택이 나는 기층에 구멍의 형태로 저장
            • 레이저 빛의 반사 정도를 측정에 정보를 읽음
            • 데이터를 저장할 때 디스크의 한쪽 면만 이용
            • 8배속, 16배속, 32배속, 등은 전송 속도를 의미
            • 숫자가 클수록 초당 전송되는 데이터의 전송률이 높음
            • 640~700MB정도 저장이 가능하며, 책 26만쪽, 74분 분량의 음악이나 비디오를 저장할 수 있음
          • DVD
            • CD에서 더 발전한 저장매체
            • 겉모습은 12cm이나 8cm 지름의 원반
            • CD와 같으나 다른 포맷으로 저장되며 높은 용량을 가지고 있음
            • 영상물을 담을 수 있는 매체로 시작되었지만 컴퓨터의 정보저장매체로 발전하였으며, 나중엔 음악을 담는 DVD-Audio로도 널리 쓰임
          • 플래시메모리
            • USB
            • SSD
• 처리장치
  • 마이크로프로세서
    • 대규모 집적회로 칩에 컴퓨터의 기본 처리장치 기능을 저장한 처리장치로서 주로 CPU 용도로 사용됨
    • 최초의 MPU: Intel 4004 (4 bit)
    • 보편화된 MPU: Intel 8080 (8 bit)
    • 최신 MPU (64 bit)
      • Intel core i9-1900k
      • AMD Ryzen 9 5059X
    • 구현 방식에 따라
      • CISC(Complex Instruction Set Computer)
        • 필요한 모든 명령어를 갖추도록 설계된 마이크로 프로세서
        • 요구되는 능력을 최대한 하나의 명령어 안에서 제공
        • 같은 크기의 프로그램을 CISC용으로 컴파일하면 코드의 길이가 짧아지므로 메모리 사용을 상대적으로 적게 함
        • CISC형 마이크로프로세서 간의 실행 호환성이 좋음
        • CISC용 MPU는 내부 구조가 복잡하여 고속의 마이크로프로세서 구현이 힘들고 하드웨어 가격이 비쌈
      • RISC(Reduced Instruction Set Computer)
        • 명령어 집합 자체를 가장 자주 사용되는 명령어 중심으로 전체 개수를 줄임
        • 고정된 길이의 적은 수의 컴퓨터 명령어를 파이프라인 수행하도록 설계
        • CISC보다 빠른 속도, 낮은 소모전력
        • 호환석 부족, 컴파일된 코드 길이 증가 및 명령어의 다양성이 작음
  • CPU
    • 레지스터: CPU 내의 기억장소
      • CPU 안에 있는 프로그램의 데이터 연산 결과를 임시로 저장하는 고속의 작은 메모리
      • 주기억장치와의 데이터 교환보다 훨씬 빠른 속도로 작동
      • Program Counter : 프로그램의 수행 순서를 제어하는 레지스터, 다음에 실행항 명령의 번지수를 기억
      • Memory Address Resistor : 기억 장소의 번지수를 기억하는 레지스터
      • Instruction Resistor : 현재 수행중인 명령의 내용을 기억하는 레지스터
      • Memory Buffer Resistor : 기억장치를 통해 접근되는 정보가 기록되는 레지스터
    • CU: 컴퓨터 시스템 전체를 제어
      • 컴퓨터 장치 내의 모든 장치들이 효율적으로 작동할 수 있도록 제어하는 신호를 보내주는 장치
      • 입력, 기억, 출력, 연산 등의 각 작업을 제어하고 관리, 감독하는 기능을 수행함
      • 명령의 실행은 패치단계와 실행단계를 반복함
        • fetch cycle : 주기억장치의 명령어를 호출하여 명령어 레지스터에 저장함
        • execution cycle : 레지스터에 저장된 명령어를 해독하여 처리
    • ALU: 모든 연산을 처리하는 장치
      • 실제 프로그램의 명령을 실행
      • 산술연산, 논리연산 등 각종 연산을 수행하는 장치
      • ACC(누산기) : 연산 할 데이터를 제공받아 연산하고 그 결과를 기억함
      • Data Register : 주기억장치에서 연산에 사용될 데이터를 읽어들여 일시적으로 저장해두었다가 필요한 순간에 가산기에 제공
      • Adder : 누산기와 데이터 레지스터의 내용을 더해주는 장치로 연산결과는 다시 누산기에 기억시킴
      • Status Register : 연산한 결과의 상태를 기록하여 저장하는 일 담당
    • 마이크로프로세서: 중앙처리장치 등 주요 처리장치의 기능을 하나의 칩으로 집약 구현
  • 주변 처리장치
    • GPU
      • 그래픽카드: 컴퓨터 게임의 등장으로 CPU의 그래픽 처리 위탁이 필요해짐 → 3D 그래픽 처리의 필요성 급증
      • 1999년, NVIDA GeForce 그래픽카드부터 GPU 명칭을 사용
      • Hardware T&L 효과 제공
      • NVIDA GeForce → RX > GTX > RTX
      • 2000년 ATi가 GPU Radeon을 출시하여 경쟁
      • 2007년 AMD가 ATi 인수
      • 2010년 Multi-GPU 기능 추가
      • GPU 내장형 CPU
        • 2011년, AMD 사의 APU(Accelerated PU)
        • 2011년, 인텔 코어 2세대부터 크래픽 코어 포함 시작
        • 인텔 코어 9세대에서도 iGPU 포함
          • F버전은 iGPU 미포함
      • CPU 일부 기능을 포괄한 GPU
        • GPGPU General Purpose GPU
        • 4차 산업혁명에서의 머신러닝용으로 각광