세상에는 다양한 종류의 컴퓨터가 있습니다. 아두이노, 라즈베리 파이와 같은 작은 컴퓨터부터 스마트폰, 노트북, 데스크톱, 서버 컴퓨터에 이르기까지 그 크기와 용도도 제각각입니다.

하지만 외관과 용도를 막론하고 컴퓨터를 이루는 핵심 부품은 크게 다르지 않습니다. 컴퓨터의 핵심 부품은 중앙처리장치^{CPU; Central Processing Unit}(이하 CPU), 주기억장치^{main memory} (이하 메모리), 보조기억장치^{secondary storage}, 입출력장치^{input/output(I/O) device}입니다. 이 네 가지 부품의 역할만 이해하고 있어도 컴퓨터의 작동 원리를 대부분 파악할 수 있습니다.

주기억장치에는 크게 RAM(Random Access Memory)과 ROM(Read Only Memory), 두 가지가 있습니다. 메모리라는 용어는 보통 RAM을 지칭합니다. 컴퓨터의 작동 원리를 파악하기 위해 알아야 할 더 중요한 주기억장치는 RAM입니다. 따라서 특별한 언급이 없는 한 주기억장치는 RAM이라고 생각해도 무방합니다.

• ① 가장 큰 사각형은 메인보드입니다.
• ② 메인보드 안에 시스템 버스(양방향 수직 화살표)가 있습니다.
• ③ CPU 내부에는 ALU(산술논리연산장치), 제어장치와 여러 레지스터가 있습니다. CPU는 메인보드 내 시스템 버스와 연결되어 있습니다.
• ④ 메모리는 메인보드 내 시스템 버스와 연결되어 있습니다.
• ⑤보조기억장치는 메인보드 내 시스템 버스와 연결되어 있습니다.
• ⑥ 모니터, 키보드, 마우스 등은 메인보드 내 시스템 버스와 연결되어 있고, 이들을 입출력장치라고 부릅니다.

✅메모리

컴퓨터가 이해하는 정보는 명령어와 데이터라고 했습니다. 메모리는 현재 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장하는 부품입니다. 즉, 프로그램이 실행되려면 반드시 메모리에 저장되어 있어야 합니다.

이때 컴퓨터가 빠르게 작동하기 위해서는 메모리 속 명령어와 데이터가 중구난방으로 저장되어 있으면 안 됩니다. 저장된 명령어와 데이터의 위치는 정돈되어 있어야 합니다. 그래서 메모리에는 저장된 값에 빠르고 효율적으로 접근하기 위해 주소^address라는 개념이 사용됩니다. 현실에서 우리가 주소로 원하는 위치를 찾아갈 수 있듯이 컴퓨터에서도 주소로 메모리 내 원하는 위치에 접근할 수 있습니다.

다음 그림은 1번지와 2번지에 명령어, 3번지와 4번지에 데이터가 저장되어 있고, 5번지와 6번지에는 아무것도 저장되어 있지 않은 상태의 메모리를 표현한 예시입니다.

물론 이것은 메모리를 이해하기 쉽게 그림으로 나타낸 것일 뿐 실제로는 이와 같이 저장되지 않습니다. 명령어와 데이터는 모두 0과 1로 표현되기 때문에 겉보기에는 마치 0과 1로 이루어진 데이터를 저장한 것처럼 보입니다.

메모리에 대해서 일단은 아래 세 가지만 기억하면 됩니다.

• 프로그램이 실행되기 위해서는 반드시 메모리에 저장되어 있어야 한다.
• 메모리는 현재 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장한다.
• 메모리에 저장된 값의 위치는 주소로 알 수 있다.
  

✅CPU

CPU는 컴퓨터의 두뇌입니다. CPU는 메모리에 저장된 명령어를 읽어 들이고, 읽어 들인 명령어를 해석하고, 실행하는 부품입니다. 

CPU의 역할과 작동 원리를 구체적으로 이해하기 위해서는 CPU 내부 구성 요소를 알아야 합니다. 이 책에서 학습할 CPU 내부 구성 요소 중 가장 중요한 세 가지는 산술논리연산장치^{ALU; Arithmetic Logic Unit}(이하 ALU), 레지스터^register, 제어장치^{CU; Control Unit}입니다.

ALU는 쉽게 말해 계산기입니다. 계산만을 위해 존재하는 부품이죠. 컴퓨터 내부에서 수행되는 대부분의 계산은 ALU가 도맡아 수행합니다.

레지스터는 CPU 내부의 작은 임시 저장 장치입니다. 프로그램을 실행하는 데 필요한 값들을 임시로 저장합니다. CPU 안에는 여러 개의 레지스터가 존재하고 각기 다른 이름과 역할을 가지고 있습니다.

제어장치는 제어 신호^{control signal}라는 전기 신호를 내보내고 명령어를 해석하는 장치입니다. 여기서 제어 신호란 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호입니다. 제어 신호에 대해서는 이후에 자세히 설명할 예정이니, 지금은 아래 내용만 이해하고 있어도 무방합니다.

• CPU가 메모리에 저장된 값을 읽고 싶을 땐 메모리를 향해 메모리 읽기라는 제어 신호를 보낸다.
• CPU가 메모리에 어떤 값을 저장하고 싶을 땐 메모리를 향해 메모리 쓰기라는 제어 신호를 보낸다.

✔️CPU를 구성하는 세 가지 부품의 역할

간단한 예시를 통해 CPU를 구성하는 세 가지 부품의 역할을 알아보겠습니다. 앞서 살펴본 메모리 그림을 다시 볼까요? 1번지부터 2번지까지 명령어가 저장되어 있습니다. CPU가 이 두 개의 명령어를 어떻게 실행하는지 살펴볼게요.

01 제어장치는 1번지에 저장된 명령어를 읽어 들이기 위해 메모리에 ‘메모리 읽기’ 제어 신호를 보냅니다.

02  ① 메모리는 1번지에 저장된 명령어를 CPU에 건네주고, 이 명령어는 레지스터에 저장됩니다. ② 제어장치는 읽어 들인 명령어를 해석한 뒤 3번지와 4번지에 저장된 데이터가 필요하다고 판단합니다. ③ 제어장치는 3번지와 4번지에 저장된 데이터를 읽어 들이기 위해 메모리에 ‘메모리 읽기’ 제어 신호를 보냅니다.

03 ① 메모리는 3번지와 4번지에 저장된 데이터를 CPU에 건네주고, 이 데이터들은 서로 다른 레지스터에 저장됩니다. ② ALU는 읽어 들인 데이터로 연산을 수행합니다. ③ 계산의 결괏값은 레지스터에 저장됩니다. 계산이 끝났다면 첫 번째 명령어의 실행은 끝납니다.

04 ① 제어장치는 2번지에 저장된 다음 명령어를 읽어 들이기 위해 메모리에 ‘메모리 읽기’ 제어 신호를 보냅니다.

② 메모리는 2번지에 저장된 명령어를 CPU에 건네주고, 이 명령어는 레지스터에 저장됩니다. ③ 제어장치는 이 명령어를 해석한 뒤 메모리에 계산 결과를 저장해야 한다고 판단합니다.

④ 제어장치는 계산 결과를 저장하기 위해 메모리에 ‘메모리 쓰기’ 제어 신호와 함께 계산 결과인 220을 보냅니다. 메모리가 계산 결과를 저장하면 두 번째 명령어의 실행도 끝납니다.

일단 CPU에 대한 내용은 아래 세 가지만 기억해 주세요.

• CPU는 메모리에 저장된 값을 읽어 들이고, 해석하고, 실행하는 장치다.
• CPU 내부에는 ALU, 레지스터, 제어장치가 있다.
• ALU는 계산하는 장치, 레지스터는 임시 저장 장치, 제어장치는 제어 신호를 발생시키고 명령어를 해석하는 장치다.

✅보조기억장치

앞서 메모리는 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장한다고 했지만, 이 메모리는 두 가지 치명적인 약점이 있습니다. 첫 째는 가격이 비싸 저장 용량이 적다는 점이고, 둘 째는 전원이 꺼지면 저장된 내용을 잃는다는 점입니다.

컴퓨터로 작업하는 도중에 전원이 꺼져서 작업한 내역을 잃어본 적 있나요? ^^… 전원이 꺼지면 작업한 내역을 잃게 되는 이유는 실행 중인 프로그램들은 메모리에 저장되는데, 메모리는 전원이 꺼지면 저장된 내용이 날아가기 때문입니다.

이에 메모리보다 크기가 크고 전원이 꺼져도 저장된 내용을 잃지 않는 메모리를 보조할 저장 장치가 필요하게 되었는데, 이 저장 장치가 보조기억장치입니다.

하드 디스크, SSD, USB 메모리, DVD, CD-ROM과 같은 저장 장치가 보조기억장치의 일종입니다. 컴퓨터 전원이 꺼져도 컴퓨터에 파일이 남아 있었던 이유는 우리가 파일을 보조기억장치에 저장했기 때문입니다. 메모리가 현재 ‘실행되는’ 프로그램을 저장한다면, 보조기억장치는 ‘보관할’ 프로그램을 저장한다고 생각해도 좋습니다. 

✅입출력장치

입출력장치는 마이크, 스피커, 프린터, 마우스, 키보드처럼 컴퓨터 외부에 연결되어 컴퓨터 내부와 정보를 교환하는 장치를 의미합니다. 

🗣️“보조기억장치로 알고 있었던 하드 디스크, USB 메모리, CD-ROM도 ‘컴퓨터 외부에 연결되어 컴퓨터 내부와 정보를 교환할 수 있는 장치’로 볼 수 있지 않나? 그러면 보조기억장치도 결국 입출력장치 아닌가?” 라고 생각하실 수 있습니다.

이는 매우 좋은 지적이고 맞는 말입니다. 보조기억장치는 관점에 따라 입출력장치의 일종으로 볼 수 있습니다. 실제로 보조기억장치와 입출력장치를 ‘컴퓨터 주변에 붙어있는 장치’라는 의미에서 주변장치^{peripheral device}라 통칭하기도 합니다. 다만 보조기억장치는 모니터, 마우스, 키보드와 같은 일반적인 입출력장치에 비해 메모리를 보조한다는 특별한 기능을 수행하는 입출력장치입니다.

보조기억장치와 입출력장치는 구분해서 생각해 주세요. 단지, ‘완전히 다른 부품은 아니다’ 정도로만 생각해도 컴퓨터 공학 전공서를 읽는 데 어려움은 없습니다.

✅메인보드와 시스템 버스

다시 컴퓨터의 핵심 부품 이야기로 돌아와서, 지금까지 설명한 컴퓨터의 핵심 부품들은 모두 메인보드^{main board}라는 판에 연결됩니다. 메인보드는 마더보드^{mother board}라고도 부르지요. 메인보드에는 앞서 소개한 부품을 비롯한 여러 컴퓨터 부품을 부착할 수 있는 슬롯과 연결 단자가 있습니다.

메인보드에 연결된 부품들은 서로 정보를 주고받을 수 있는데, 이는 메인보드 내부에 버스^bus라는 통로가 있기 때문입니다. 컴퓨터 내부에는 다양한 종류의 통로, 즉 버스가 있습니다. 하지만 여러 버스 가운데 컴퓨터의 네 가지 핵심 부품을 연결하는 가장 중요한 버스는 시스템 버스^{system bus}입니다.

시스템 버스는 주소 버스, 데이터 버스, 제어 버스로 구성되어 있습니다. 주소 버스^{address bus}는 주소를 주고받는 통로, 데이터 버스^{data bus}는 명령어와 데이터를 주고받는 통로, 제어 버스^{control bus}는 제어 신호를 주고받는 통로입니다.

시스템 버스를 조금 더 자세히 이해하기 위해 앞서 설명한 CPU의 작동 예시를 다시 한번 보겠습니다. CPU가 메모리 속 명령어를 읽어 들이기 위해 제어장치에서 ‘메모리 읽기’라는 신호를 내보낸다고 했습니다. 그런데 사실 CPU가 메모리를 읽을 땐 제어 신호만 내보내지 않습니다. 실제로 ① 제어 버스로 ‘메모리 읽기’ 제어 신호를 내보내고, ② 주소 버스로 읽고자 하는 주소를 내보냅니다. ③ 그러면 메모리는 데이터 버스로 CPU가 요청한 주소에 있는 내용을 보냅니다.

그리고 메모리에 어떤 값을 저장할 때도 ① CPU는  데이터 버스를 통해 메모리에 저장할 값을, ② 주소 버스를 통해 저장할 주소를, ③ 제어 버스를 통해 ‘메모리 쓰기’ 제어 신호를 내보냅니다.

이제 컴퓨터 구조의 큰 그림이 그려지시나요? 앞서 짚어드렸던 용어는 중요하니 꼭 기억해 주세요.

• 메모리는 현재 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장하는 부품
• CPU는 메모리에 저장된 명령어를 읽어 들이고, 해석하고, 실행하는 부품
• 보조기억장치는 전원이 꺼져도 보관할 프로그램을 저장하는 부품
• 입출력장치는 컴퓨터 외부에 연결되어 컴퓨터 내부와 정보를 교환할 수 있는 부품
• 시스템 버스는 컴퓨터의 네 가지 핵심 부품들이 서로 정보를 주고 받는 통로

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