본문내용
1. 컴퓨터 일반
1.1. 컴퓨터 시스템의 구성요소
컴퓨터 시스템은 하드웨어와 소프트웨어로 구성되어 있다. 하드웨어는 중앙처리장치(CPU), 기억장치, 입출력 장치로 구성되어 있다. 중앙처리장치는 제어장치와 연산장치, 레지스터로 구성되어 있으며, 컴퓨터에 부착된 모든 장치들의 동작을 제어하고 명령을 실행한다. 기억장치는 주기억장치와 보조기억장치, 특수기억장치로 구성되어 있으며, 프로그램과 데이터를 저장한다. 입출력 장치는 컴퓨터 외부와 정보를 교환하는 장치로, 입력장치와 출력장치가 있다.
소프트웨어는 시스템 소프트웨어와 응용 소프트웨어로 구분된다. 시스템 소프트웨어는 제어 프로그램과 처리 프로그램으로 구성되며, 운영체제, 언어번역기, 링커, 로더 등이 포함된다. 응용 소프트웨어는 사용자 프로그램으로, 워드프로세서, 스프레드시트 등이 있다.
컴퓨터의 구조는 에니악, 에드삭, 폰 노이만 구조 등의 발전 과정을 거쳐 왔다. 제1세대부터 제5세대까지의 발전 과정은 주로 사용되는 논리회로와 프로그래밍 언어, 집적회로의 집적도 등에 따라 구분된다.
정보처리 시스템은 일괄처리 시스템, 다중 프로그래밍 시스템, 시분할 시스템, 다중처리 시스템, 실시간 처리 시스템, 분산처리 시스템 등으로 분류된다. 이러한 시스템은 프로세서의 수, 메모리의 구조, 프로그램 수행 방식 등에 따라 구분된다.
CPU의 성능을 나타내는 단위로는 클록 주파수와 CPI, MIPS 등이 있다. 기억 용량을 나타내는 단위로는 KB, MB, GB 등이 사용된다. 컴퓨터의 성능은 처리량, 자원 이용도, 반환 시간, 응답 시간 등을 통해 평가할 수 있다.
1.2. 중앙처리장치(CPU)
중앙처리장치(CPU)는 컴퓨터의 핵심 부품으로, 제어장치와 연산장치 그리고 레지스터로 구성되어 있다. 제어장치는 주기억장치로부터 명령어를 인출하고 해독하며, 각 장치에 제어신호를 전달하는 역할을 한다. 연산장치는 명령어를 실행하여 데이터를 계산하고 처리하는 기능을 수행한다. 레지스터는 데이터 처리 과정에서 중간 결과를 일시적으로 기억하는 임시 기억장치로 사용된다.
제어장치는 프로그램 카운터, 명령어 레지스터, 메모리 주소 레지스터, 메모리 버퍼 레지스터, 명령어 해독기 등의 구성 요소를 포함하고 있다. 프로그램 카운터는 다음에 수행할 명령어의 주소를 기억하며, 명령어 레지스터는 최근에 인출한 명령어를 보관하고 있다. 메모리 주소 레지스터는 명령어와 데이터의 주소를, 메모리 버퍼 레지스터는 기억장치로부터 읽어들인 명령어와 데이터를 일시적으로 저장한다. 명령어 해독기는 명령어를 해독하여 필요한 장치로 제어신호를 전송한다.
연산장치는 누산기, 가산기, 보수기, 데이터 레지스터, 상태 레지스터 등으로 구성된다. 누산기는 연산의 중간 결과를 일시적으로 저장하는 역할을 하며, 가산기는 산술연산을, 보수기는 논리연산을 수행한다. 데이터 레지스터와 상태 레지스터는 각각 데이터와 연산 결과의 상태 정보를 저장한다.
명령어는 연산코드와 오퍼랜드로 구성되며, 오퍼랜드 수에 따라 0-주소, 1-주소, 2-주소, 3-주소 명령어로 분류된다. 명령어를 수행하기 위해서는 인출, 해독, 실행, 인터럽트 처리 등의 순서로 진행된다. 인출 단계에서는 메모리로부터 명령어를 가져오고, 해독 단계에서는 명령어를 분석한다. 실행 단계에서는 연산장치가 명령어를 수행하며, 인터럽트 처리 단계에서는 외부 요청에 대한 응답을 처리한다.
마이크로 오퍼레이션은 하나의 명령어를 수행하기 위해 필요한 기본 동작을 의미하며, 마이크로 연산 사이클은 이러한 마이크로 오퍼레이션이 수행되는 기본 단위이다. 사이클 타임 할당 방식에는 동기 고정식, 동기 가변식, 비동기식이 있으며, 이는 각 단계의 수행 시간 차이를 해결하기 위한 방법이다.
시스템 버스는 중앙처리장치와 다른 장치 간 정보 교환을 위한 물리적 통로로, 데이터 버스, 주소 버스, 제어 버스로 구성된다. 마이크로프로세서는 RISC와 CISC로 분류할 수 있는데, RISC는 간단한 명령어 세트를 사용하여 빠른 처리 속도를 보이지만 프로그래밍이 복잡한 반면, CISC는 복잡한 명령어 세트를 사용하여 프로그래밍이 단순하지만 처리 속도가 느린 특징을 가진다.
1.3. 기억장치(memory)
기억장치는 컴퓨터 시스템의 구성요소 중 하나로, 중앙처리장치(CPU)와 주변장치 간에 데이터를 저장하고 유지하는 역할을 담당한다. 기억장치는 크게 주기억장치와 보조기억장치로 구분되며, 그 외에도 특수 기억장치가 있다.
주기억장치는 프로그램과 데이터를 저장하여 중앙처리장치에 제공하는 장치로, 여기에는 RAM(Random Access Memory)과 ROM(Read Only Memory)이 포함된다. RAM은 전원이 공급되어야 데이터가 유지되는 휘발성 메모리이고, ROM은 전원이 꺼져도 데이터를 유지할 수 있는 비휘발성 메모리이다.
보조기억장치는 대용량의 데이터와 프로그램을 저장할 수 있는 비소멸성 기억장치이다. 주로 하드디스크가 이에 해당하며, CPU와 직접적인 정보 교환이 불가능하므로 데이터를 주기억장치로 옮긴 후 처리한다.
특수 기억장치에는 캐시 기억장치, 연관 기억장치, 레지스터 등이 포함된다. 이들은 CPU 내부에 위치하여 데이터를 빠르게 처리할 수 있도록 지원한다.
기억장치는 컴퓨터 시스템의 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 그 용량과 속도가 중요하다. 주기억장치의 용량은 주소 개수와 주소 1개의 크기로 결정되며, 주기억장치의 용량 확장은 워드 길이 확장과 주소 개수 확장 방식으로 이루어진다. 메모리 저장 방식에는 빅 엔디언과 리틀 엔디언이 있다.
캐시 메모리는 CPU와 주기억장치 간의 속도 차이를 줄이기 위해 사용되며, 지역성의 원리에 따라 작동한다. 캐시의 사상 방식에는 직접 사상, 연관 사상, 집합 연관 사상이 있으며, 캐시의 쓰기 정책에는 즉시 쓰기와 나중 쓰기가 있다. 캐시 일관성 문제는 스누핑 프로토콜, 디렉토리 기반 프로토콜, MESI 프로토콜 등으로 해결할 수 있다.
가상 메모리는 보조기억장치의 전체 또는 일부를 주기억장치처럼 사용하여 주기억장치의 제한된 용량 한계를 극복하는 기법이다. 가상 메모리에서 데이터의 이동 단위는 페이지와 세그먼트이며, 주소 변환은 MMU와 TLB를 통해 이루어진다. 페이징 방식과 세그먼테이션 방식이 대표적인 가상 메모리 구현 기법이다.
메모리 관리 기법에는 주기억장치 할당 방식과 가상 메모리 할당 방식이 있다. 주기억장치 할당에는 고정 분할과 가변 분할 할당 방식이 있고, 가상 메모리 할당에는 페이징과 세그먼테이션 방식이 있다. 페이지 교체 정책으로는 FIFO, LRU, LFU, NUR, 2차 기회, 최적 등이 사용된다.
메모리 인터리빙은 여러 모듈로 메모리를 분산 저장하여 실질적인 대역폭을 높이는 기법이다.
1.4. 입출력 장치
입출력 장치는 컴퓨터 외부에서 내부로 데이터를 전송하거나 컴퓨터 내부에서 외부로 처리된 데이터를 전송하는 역할을 한다. 입력장치는 사용자가 데이터를 컴퓨터에 입력할 수 있도록 하며, 출력장치는 컴퓨터에서 처리된 결과를 사용자에게 제공한다.
입력장치에는 MICR, OCR, OMR, 마우스, 키보드 등이 있다. MICR(Magnetic Ink Character Recognition)은 자기 잉크를 사용하여 문자를 인식하는 장치이고, OCR(Optical Character Recognition)은 광학적으로 문자를 인식하는 장치이며, OMR(Optical Mark Recognition)은 광학적으로 마크를 인식하는 장치이다. 마우스와 키보드는 가장 일반적인 입력장치로 사용자의 조작에 따라 데이터를 입력할 수 있다.
출력장치에는 모니터와 프린터가 있다. 모니터는 처리 결과를 화면에 출력하는 장치이고, 프린터는 처리 결과를 종이에 출력하는 장치이다. 모니터는 사용자가 입력한 데이터와 컴퓨터의 처리 결과를 시각적으로 확인할 수 있게 해주며, 프린터는 문서나 이미지 등을 물리적인 형태로 출력할 수 있다.
입출력 장치는 컴퓨터 시스템에서 사용자와 정보를 주고받는 데 필요한 필수적인 구성요소이다. 입력장치를 통해 사용자가 정보를 컴퓨터에 제공하고, 출력장치를 통해 컴퓨터가 처리한 정보를 사용자에게 전달할 수 있다. 이러한 입출력 장치의 발전은 컴퓨터 사용자와 컴퓨터 시스템 간의 상호작용을 향상시키고, 컴퓨터의 활용 범위를 확대시키는 데 기여하고 있다.
1.5. 시스템 소프트웨어와 응용 소프트웨어
시스템 소프트웨어와 응용 소프트웨어이다. 시스템 소프트웨어는 제어 프로그램과 처리 프로그램으로 구성되며, 운영체제, 언어번역기, 링커, 로더 등이 포함되어 있다. 제어 프로그램에는 감시 프로그램, 작업관리 프로그램, 데이터관리 프로그램 등이 있으며, 처리 프로그램에는 언어번역 프로그램과 서비스 프로그램이 있다. 응용 소프트웨어는 워드프로세서, 스프레드시트와 같은 사용자 응용 프로그램을 의미한다. 또한 컴퓨터 시스템에는 하드웨어와 소프트웨어가 상호작용하며, 이를 통해 시스템이 작동하게 된다. 소프트웨어는 하드웨어를 제어하고 관리하는 역할을 담당한다.
시스템 소프트웨어와 응용 소프트웨어는 컴퓨터 시스템을 구성하는 핵심 요소이다. 시스템 소프트웨어는 하드웨어를 효율적으로 제어하고 관리하는 역할을 하며, 응용 소프트웨어는 사용자의 다양한 요구사항을 충족시키기 위한 프로그램이다. 이들 두 가지 소프트웨어 유형은 서로 다른 기능을 담당하지만, 상호 보완적인 관계를 가지며 컴퓨터 시스템의 전반적인 동작을 가능하게 한다.
시스템 소프트웨어는 제어 프로그램과 처리 프로그램으로 구성된다. 제어 프로그램은 감시 프로그램, 작업관리 프로그램, 데이터관리 프로그램 등이 있으며, 이들은 컴퓨터 시스템의 전반적인 동작을 제어하고 관리한다. 처리 프로그램은 언어번역 프로그램과 서비스 프로그램을 포함하며, 사용자 프로그램의 번역과 각종 시스템 서비스를 제공한다. 또한 운영체제, 언어번역기, 링커, 로더 등도 시스템 소프트웨어에 포함된다.
응용 소프트웨어는 사용자의 다양한 요구사항을 충족시키기 위한 프로그램으로, 워드프로세서, 스프레드시트와 같은 생산성 도구부터 멀티미디어 프로그램, 게임 등 다양한 유형이 있다. 이들 응용 소프트웨어는 시스템 소프트웨어의 도움을 받아 사용자에게 기능을 제공한다.
소프트웨어와 하드웨어는 상호작용하며 컴퓨터 시스템이 작동한다. 하드웨어는 물리적인 장치이며, 소프트웨어는 하드웨어를 제어하고 관리하는 역할을 담당한다. 운영체제와 같은 시스템 소프트웨어는 하드웨어의 자원을 효율적으로 관리하고, 응용 소프트웨어는 사용자의 요구사항을 충족시키기 위해 하드웨어를 활용한다. 이처럼 소프트웨어와 하드웨어는 밀접한 관계를 가지며, 서로 보완적인 역할을 수행한다.
종합적으로 볼 때, 시스템 소프트웨어와 응용 소프트웨어는 컴퓨터 시스템을 구성하는 핵심 요소이다. 시스템 소프트웨어는 하드웨어를 제어하고 관리하는 역할을 하며, 응용 소프트웨어는 사용자의 요구사항을 충족시키기 위해 하드웨어를 활용한다. 이들 두 가지 소프트웨어 유형은 상호 보완적인 관계를 가지며, 컴퓨터 시스템의 전반적인 동작을 가능하게 한다.
1.6. 컴퓨터 구조의 발전
ENIAC, 에니악! 모클리와 에커드가 진공관을 이용하여 개발한 이 기계는 내장되어 있지 않다. 프로그램이 외장되어 있는 방식을 이용하고 있다. EDSAC, 에드삭은 최초의 폰 노이만 구조 컴퓨터로, 명령어와 데이터를 동일한 숫자 형태로 내부 기억장치에 저장하는 내장 프로그램 개념을 기반으로 하고 있다. 이러한 폰 노이만 구조는 오늘날의 컴퓨터 구조와 유사하다. 컴퓨터 세대별 발전은 다음과 같다. 제1세대는 진공관을 사용하여 통계/군사/과학 기술용으로 개발되었으며 많은 전력을 소모하고 비용이 높았다. 제2세대는 트랜지스터를 이용하여 포트란, COBOL과 같은 프로그래밍 언어가 상용화되었다. 제3세대는 집적회로(IC) 기술이 발전하면서 사무 자동화와 PC의 등장, 대중화가 이루어졌다. 제4세대는 마이크로프로세서가 등장하여 인공지능, 음성인식, 인터넷 등이 발전하였다. 제5세대는 초고밀도 집적회로(VLSI) 기술이 발전하면서 인공지능, 음성인식 등 첨단 기술이 등장하였다. 이와 같이 컴퓨터 구조는 진공관에서 트랜지스터, 집적회로, 마이크로프로세서로 발전해왔으며, 각 세대마다 컴퓨터 기술이 비약적으로 발전하였다.
1.7. 정보처리 시스템의 분류
정보처리 시스템은 입력되는 자료를 처리하는 방식에 따라 다양한 유형으로 구분할 수 있다. 일괄처리 시스템은 일정 기간 동안 축적된 자료를 한꺼번에 처리하는 방식이다. 다중 프로그래밍 시스템은 단일 프로세서를 여러 프로그램이 번갈아 사용하여 동시에 실행되는 것처럼 처리하는 방식이다. 시분할 시스템은 단일 시스템을 여러 사용자가 일정한 시간 단위로 나누어 사용하는 방식이다. 다중 처리 시스템은 여러 개의 프로세서와 공유 메모리를 통해 병렬 처리가 가능한 방식이다. 실시간 처리 시스템은 요구된 작업을 지정된 시간 내에 처리하여 신속한 응답을 보장하는 방식이다. 분산 처리 시스템은 여러 컴퓨터가 네트워크로 연결되어 상호 작용하며 작업을 처리하는 방식이다.
각 정보처리 시스템은 고유한 특징과 장단점을 가지고 있다. 일괄처리 시스템은 일정 기간 동안 축적된 자료를 한꺼번에 처리하므로 신속성은 떨어지지만 효율성이 높다. 다중 프로그래밍 시스템은 CPU 활용도가 높으나 프로세스 간 전환 오버헤드가 발생한다. 시분할 시스템은 사용자에게 컴퓨터를 독점적으로 사용하는 것 같은 환경을 제공하지만 응답 시간이 상대적으로 느리다. 다중 처리 시스템은 병렬 처리를 통해 처리 속도를 향상시킬 수 있지만 캐시 일관성 문제 등의 이슈가 있다. 실시간 처리 시스템은 신속한 응답을 보장하지만 처리량이 상대적으로 낮다. 분산 처리 시스템은 자원 공유와 확장성이 우수하지만 보안에 취약할 수 있다.
이와 같이 각 정보처리 시스템은 고유한 특성을 가지고 있으며, 처리 요구사항과 시스템 환경에 따라 적절한 방식을 선택하여 활용해야 한다.
1.8. CPU 성능 단위
클록(clock)은 CPU의 처리 속도를 나타내는 대표적인 단위이다. 클록 주파수는 1초 당 실행되는 클록의 개수를 의미하며 단위는 Hz이다. 클록 사이클(주기)은 하나의 클록이 실행되는데 걸리는 시간을 의미하며 단위는 s(초)이다. 클록 사이클과 클록 주파수는 역수 관계이다.
CPI(Clock cycle Per Instruction)는 CPU의 성능을 측정할 때 활용되는 척도 중 하나로, 하나의 명령어 수행 시 사용되는 클록 사이클의 개수를 의미한다. CPI가 작을수록 CPU의 성능이 우수하다.
MIPS(Million Instruction Per Second)는 CPU의 처리 속도를 나타내는 단위로, 1초당 백만 개의 명령어를 처리할 수 있는 능력을 의미한다. MIPS가 높을수록 CPU의 처리 속도가 빠르다.
이처럼 CPU의 성능을 평가하기 위해서는 클록 주파수, CPI, MIPS와 같은 다양한 단위를 사용한다. 이러한 단위들을 통해 CPU의 처리 속도와 효율성을 정량적으로 측정할 수 있다.
1.9. 기억 용량 단위
기억 장치의 용량은 단위에 따라 다양한 숫자로 표현된다. KB, MB, GB, TB 등은 기억 용량을 나타내는 단위이다. 이 단위들은 2의 거듭제곱 형태를 가진다. KB는 2^10Byte, MB는 2^20Byte, GB는 2^30Byte 등으로 정의된다. 따라서 1MB는 1024KB이고, 1GB는 1024MB이다. 한편 시간 단위나 개수를 나타내는 단위들은 10의 거듭제곱 형태를 가진다. ms는 10^-3초, us는 10^-6초, ns는 10^-9초이며, K개는 10^3개, MB는 10^6개, GB는 10^9개와 같이 정의된다. 즉, 기억 용량을 나타내는 단위와 시간이나 개수를 나타내는 단위는 그 정의 방식이 서로 다르다. 이처럼 다양한 단위를 사용하여 컴퓨터의 기억 용량과 성능을 효과적으로 표현할 수 있다.
1.10. 컴퓨터 성능 평가 기준
컴퓨터의 성능을 평가하는 데 있어서는 처리량, 자원 이용도, 반환 시간, 응답 시간 등이 주요 지표이다. 처리량은 단위 시간 당 처리된 작업의 수를 의미하며, 자원 이용도는 시스템의 전체 동작 시간 중에 주어진 자원(CPU 등)이 실제로 사용된 시간의 비율을 나타낸다. 반환 시간은 작업이 시작된 시점부터 완료되어 결과가 제출되는 시점까지의 시간을 의미하며, 응답 시간은 입력이 주어지고 나서 반응이 나타나는 데까지 걸리는 시간을 말한다. 이 중에서도 특히 반환 시간과 응답 시간은 사용자의 관점에서 중요한 성능 지표라고 할 수 있다.
또한 시스템에서 어느 부분이 병목 현상을 일으키는지를 파악하는 것도 중요하다. 시스템 자원이 용량 또는 처리량의 최대 한계에 도달하면 병목 현상이 발생하여 전체 시스템의 성능이 저하될 수 있기 때문이다. 따라서 시스템의 병목 구간을 찾아내고 이를 개선하는 것이 성능 향상을 위한 핵심 과제라고 할 수 있다.
이처럼 컴퓨터 성능을 평가하는 데 있어서는 다양한 요소들을 종합적으로 고려해야 한다. 단순히 처리 속도만을 보는 것이 아니라 응답성, 효율성, 안정성 등 다각도의 측면에서 분석하고 개선해 나가는 노력이 필요하다. 또한 시스템에서 발생할 수 있는 병목 현상을 신속히 파악하여 이를 해결하는 것이 중요하다.
2. 데이터의 표현과 컴퓨터 연산
2.1. 컴퓨터의 정보 표현 단위
컴퓨터의 정보 표현 단위는 비트, 니블, 바이트, 워드로 구성된다. 비트는 정보의 최소 단위이며 0과 1로 표현된다. 니블은 4비트로 1바이트의 절반을 의미한다. 바이트는 8비트로 구성된 정보 단위이며 문자 표현의 최소 단위이다. 워드는 CPU 연산의 기본 단위로서 주소 공간을 의미한다. 컴퓨터는 이러한 정보 표현 단위를 기반으로 정보를 처리하고 저장한다. 데이터의 진법 변환은 수의 체계를 바꾸는 것으로, 2진수, 10진수, 16진수 간에 변환이 가능하다. 또한 이진수를 사용하는 컴퓨터는 보수 개념을 이용하여 뺄셈 및 부호화 등을 수행한다. 이처럼 컴퓨터는 다양한 정보 표현 단위와 연산 방식을 활용하여 효율적으로 데이터를 처리한다.
2.2. 수의 진법 변환
컴퓨터에서 정보를 표현하고 연산하기 위해 수의 진법 변환이 필요하다. 10진수는 일상생활에서 널리 사용되는 진법이지만 컴퓨터는 이진수를 사용한다. 수의 진법 변환은 이진수와 10진수, 8진수, 16진수 간에 상호 변환하는 것이다.
이진수에서 10진수로 변환하려면 각 비트의 자릿값을 2의 거듭제곱으로 나타낸 후 모두 더하면 된다. 예를 들어 1010(2)은 1×2^3 + 0×2^2 + 1×2^1 + 0×2^0 = 8 + 0 + 2 + 0 = 10(10)이다.
반대로 10진수를 이진수로 변환하려면 10진수를 2로 계속 나누며 나머지를 기록하고, 그 나머지들을 역순으로 배열하면 된다. 예를 들어 25(10)를 2로 나누면 12 나머지 1, 12를 다시 2로 나누면 6 나머지 0, 6을 2로 나누면 3 나머지 0, 3을 2로 나누면 1 나머지 1, 1을 2로 나누면 0 나머지 1이므로 이진수로 11001(2)이 된다.
10진수를 8진수나 16진수로 변환하는 방법도 유사하다. 10진수를 8로 나누며 나머지를 기록하고 역순으로 배열하면 8진수가 되고, 16으로 나누며 나머지를 기록하면 16진수가 된다. 예를 들어 25(10)를 8로 나누면 3 나머지 1, 3을 8로 나누면 0 나머지 3이므로 8진수로 31(8)이 된다. 25(10)를 16으로 나누면 1 나머지 9, 1을 16으로 나누면 0 나머지 1이므로 16진수로 19(16)가 된다.
이처럼 수의 진법 변환은 10진수와 2진수, 8진수, 16진수 간의 상호 변환이 핵심이다. 컴퓨터는 이진수를 기반으로 하므로 수의 진법 변환 능력은 매우 중요하다.
2.3. 코드(code)
2진수는 0과 1로 구성되는 수 체계이다. 컴퓨터는 이진수로 데이터를 표현하며, 각 데이터는 고유한 이진수 코드로 인코딩된다. 대표적인 이진 코드에는 BCD 코드, ASCII 코드, EBCDIC 코드, 유니코드 등이 있다. BCD 코드는 1byte에 2진수 4자리로 숫자 0~9를 표현한다. ASCII 코드는 7비트로 문자, 숫자, 특수문자를 표현하며, EBCDIC 코드는 8비트로 256가지 문자를 표현한다. 유니코드는 문자를 2바이트(16비트)로 표현하여 전 세계 모든 문자를 표현할 수 있다. 이러한 이진 코드 체계는 컴퓨터가 데이터를 처리하고 통신하는데 필수적이다.비트 단위 논리 연산에는 AND, OR, XOR, NOT 등이 있다. AND 연산은 두 비트가 모두 1일 때 1, OR 연산은 두 비트 중 하나라도 1이면 1, XOR 연산은 두 비트가 다를 때 1, NOT 연산은 비트를 반전시킨다. 이러한 논리 연산은 디지털 회로와 프로그래밍에서 다양하게 활용된다. 또한 연산...
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