컴퓨터의 이해 3강 - 처리장치와 데이터 처리

목차

1. 처리장치 ( CPU , 기억장치 )

2. 수치 데이터의 표현과 진법변환

3. 문자데이터의 표현방법

4. 주기억장치 주소, 데이터 저장, 명령어

5. 주기억 장치의 발달과정

6. 입력, 처리, 출력의 데이터 처리과정

 

1. 처리장치

(1) CPU (Central Processing Unit)

- 중앙처리장치 : 처리를 실행하는 전자회로, 레지스터가 들어 있고 프로그램의 명령어를 가져와 해석하고 명령어가 명시한 대로 계산하고 데이터를 이동시키며, 시스템의 입력과 출력을 제어하는 역할을 한다. 

- 산술논리연산장치 : 가감승제(+,-,/,*) 및 논리명령을 수행하는 전자회로가 있다.

- 제어장치 :컴퓨터시스템 전체를 지시 감독하며 조정, 입력과 출력제어, 연산 제어, 데이터 이동

- 프로세서 레지스터 : 처리할 명령어를 저장해주는 역할을 한다.

* Microprocesso : 연산장치와 제어장치를 1개의 작은 실리콘 칩에 집적시킨 처리장치

 

- 중앙처리장치와 주기억장치의 발달로 인터넷, 멀티미디어, 통신, 방송 등 모든 형태의 정보기술이 하나로 통합 됨.

- 1971년, 인텔 마이크로프로세서 4004 : 크기는 3x4mm, 성능은 ENIAC 10배

- 1946년, ENIAC : 무게 30톤, 길이 25m, 높이 2.5m, 폭 1m

- 1998년, 컴팩사 알파 21264 : 1990년대 슈퍼컴퓨터의 성능, UNIVAC 1 보다 10억대 1의 가격 및 성능

* 2000년 대 인텔 고성능 멀티코어 i2 ~ i7 등 / 2023년 코어 Ultra로 발전 ( 성능향상, 메모리 지원, 전력소비량 감소 등 )

집적 기술의 발전을 보여주는 그래프이다.

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2. 수치데이터의 표현과 진법변환

(1) 데이터의 저장 방식

- 컴퓨터시스템의 전자회로는 전자신호인 임펄스(impulse)의 유무를 감지한다. ( 0 / 1 )

- 데이터의 기본단위는 비트(bit : binary digit)

- 1 또는 0 으로 저장을 하며, 전류가 흐르면 (1), 흐르지 않으면 (0) 으로 표현을 한다.

- 보통 8개의 비트(1 byte)를 모아 정보를 표현한다.

- 이러한 비트를 활용해서 수치데이터(숫자데이터)와 문자데이터를 표현을 한다.

 

(2) 수치 데이터의 표현

[1] 10진법

- 253 = 2 x 100 + 5 x 10 + 3 = 2 x 10² + 5 x 10¹ + 3 x 10⁰

- 10진수는 흔히 우리가 일상에서 사용하는 숫자를 의미한다.

[2] 2진법

- 컴퓨터의 전자신호를 표현하기 위한 숫자이고 0과 1로 모두 구성이 되어있다.

- 10진수에서 2진수로 변환을 하는 과정은 반드시 2로 나누어야 한다.

- 2로 나눈 뒤 나온 값이 나누어 떨어지면 0 나누어 떨어지지 않으면 1로 표현을 한다.

- 값의 마지막 나누기에는 항상 1이 나오므로 1로 끝난다.

- 마지막에 나온 값부터 역순으로 나열을 하면 그게 이진수가 된다.

[2-1] 10을 이진수로 표현하기

10 / 2 = 5 ( 나누어 떨어지므로 0 )

5 / 2 = 2 ( 나머지가 1이 나오므로 1 )

2 / 2 = 1 ( 나누어 떨어지므로 0 )

1 / 1 = 1 ( 마지막 1은 항상 1로 표현 )

역순으로 하면 1010 이라는 이진수가 나온다.

이것을 만약 1byte(8bit) 단위로 표현을 하면 00001010 ( 없는 부분은 0으로 처리를 해준다 )

[2-2] 수치데이터 정수형

정수형으로 나타낼 수 있는 가장 큰 숫자는 4byte(32bit) 이며, 2,147,483,647 까지 나타낼 수 있다.

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3. 문자 데이터의 표현

(1) 문자 데이터의 표현

- 6비트 : 64개 / 7비트 : 128개 / 8비트 : 256개

- 6비트 BCD(Binary Coded Decimal)

- ASCII(American Standard Code of Information Interchange) : 7비트 + 1비트(검증) 128개의 문자를 표현함

- ASCII는 미국 정보교환 표준코드로, 개인용 컴퓨터 및 데이터 통신용으로 가장 많이 사용을 함.

- UNICODE : 16비트로 확장, 세계의 모든 언어들을 표현을 함. ( 2¹⁶ )

[1] UNICODE

- 1991년 IBM, 마이크로소프트 등 유명 컴퓨터업체들로 구성된 컨소시엄이 개발한 16비트 인코딩 시스템이다.

- 2¹⁶ = 65,536개, 한글, 한자, 히브리어, 일본어, 그리스어의 대소문자 등과 같은 세계의 모든 언어들을 표현을 함.

- 세계의 모든 국가들이 국제적인 통신교류가 가능해짐.

- 언어의 한계 없이 소프트웨어를 개발할 수 있게 되었음.

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4. 주기억장치 주소, 데이터 저장, 명령

(1) 주기억장치

- 앞서 봤던 1byte나 이러한 단위로 저장이 되는 곳을 의미한다.

- 기억용량단위 : bit, byte, word 등이 존재한다.

- 1 Byte = 8 bits(한 문자 표현, 유니코드 제외)

- 1KB(킬로바이트) = 2¹⁰ 바이트(1,024 Bytes)

- 1MB(메가바이트) = 2²⁰ 바이트(1,024 KB)

- 1GB(기가바이트) , 1TB(테라바이트), 1PB(페타바이트) ... 등이 존재한다.

 

호출시간 단위 : 컴퓨터의 속도와 매우 근접한 개념이다. ( 주기억장치가 가지고 있는 데이터를 호출 하는 시간 )

- 1msec(밀리초) = 1/10³초

- 1마이크로초 = 1/10⁶초

- 1나노초 = 1/19⁹초

- 1피코초 = 1/10¹²초 ... 등

* 좋은 기억소자 : 비트 당 가격이 저렴, 호출시간이 짧고, 부피가 작고, 가벼우며, 전력의 소모가 적고, 비트 상태의 안전성이 좋아야 한다.

 

(2) 주기억장치 주소

- 주기억장치의 각 바이트는 단일 주소를 갖는다.

- 숫자, 영문자, 특수문자가 입력장치에서 읽혀 주기억장치로 보내지면, 비트의 형태로 바뀌어 기억된다.

- 한 번 데이터가 수록되면 그 내용이 바뀔 때까지 남아 있게 된다.

[1] 고급언어로 작성한 프로그램

- 기계어로 번역 ( 컴파일러가 기계여로 바꿔줌 )

- 기계어를 주기억장치에 저장

- 처리기 전자회로가 해석하고 실행 ( CPU가 주 기억장치의 기계어를 읽어 들여와 처리 )

 

(3) 기계어명령어의 형식

- 명령부와 오퍼랜드부(주소부)가 존재한다.

- SUM = A+B; 를 예시로 들면 A와 B를 더한 값을 SUM(변수)에 저장을 하겠다는 의미이다.

- 첫 번째 줄에 MOV(이동) A를 AX로 이동을 시킨다는 의미이다.

- AX는 레지스터를 의미하며 레지스터는 실제로 계산을 해주는 영역이다. ( ALU 레지스터 )

- 두 번째 줄에 ADD(더하기) B를 AX에 더한다는 의미이고 기존에있던 A와 현재 B를 더한다는 뜻이 된다.

- 세 번째 줄에 MOV(이동) AX(A+B더한 값)을 SUM에 이동을 시킨다는 의미이다. 즉 변수에 값을 넣은걸 의미한다.

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5. 주기억장치의 발달과정

(1) 진공관

- 최초의 주기억장치로 사용된 진공관 : 크고, 약하며, 열이 많이 발생, 신뢰성이 떨어지고 많은 전류를 소모

 

(2)  자기코어기억장치

- 1950년대 포레스터가 개발 했고 20년 동안 사용했으며 컴퓨터의 발전에 큰 공헌을 했다.

- 자기코어 : 기억소자로 지름이 0.3~0.5mm인 작은 고리 모양의 자성 물질이고 주로 페라이트로 제작을 함.

- 전류가 오른쪽으로 흐르면 (1) 왼쪽으로 흐르면 (0) 방식을 이용했고, 전원이 꺼진 후에도 기억된다는 특징이 있다.

자기코어기억장치 : 1950년대 포레스터가 개발 했고 20년 동안 사용했으며 컴퓨터의 발전에 큰 공헌을 했다.

자기코어 : 기억소자로 지름이 0.3~0.5mm인 작은 고리 모양의 자성 물질이고 주로 페라이트로 제작을 함.

전류가 오른쪽으로 흐르면 (1) 왼쪽으로 흐르면 (0) 방식을 이용했고, 전원이 꺼진 후에도 기억된다는 특징이 있다.

 

(3) 반도체기억장치

- 반도체 칩속에 집적회로로 만들어 넣은 기억장치

- 빠르며 경제적이고 열을 많이 발산하지 않는다는 장점이 있다.

- 신뢰성이 높으며 간편하다.

- 트랜지스터의 발명 후 소형화 추세가 시작되었다.

- 1960년대 중반 : 한 칩에 1,000개 회로소자 집적

- 1970년대 중반 : 15,000개 이상 회로소자 집적

- 1980년대 : 1/4인치 칩에 100만개 소자 집적

- 2000년대 : 1,000억 개 이상의 소자를 집적

- 전자현미경, 다이아몬드 톱, 섭씨0.5도 등의 제반 기술여건이 경제적이고 신뢰성 있게 대형 생산체제로 칩을 만들 수 있도록 하고 있다.

- 자기코어에서는 마이크로초 단위로 호출이 된 반면 반도체에서는 나노초 단위로 호출이 되며 매우 빠른 호출이 된다.

- 반도체는 전류가 멈추면 데이터가 휘발 된다는 단점이 존재한다.

 

(4) RAM(Random Access Memory) : 주로 사용 됨.

- [1] SRAM(Static RAM) : 전원이 공급되는 한 내용이 그대로 유지된다.

- SRAM은 캐시메모리(Cache Memory)로 이용이 된다.

- [2] DRAM(Dynamic RAM) : 전원이 공급되더라도 내용의 소멸을 방지하기 위해 계속적으로 리프레싱을 해야 한다.

- DRAM은 주기억장치로 많이 이용이 된다.

 

(5) ROM(Read Only Memory)

[1] ROM : 메모리가 제작될 때 데이터를 이 안에 기록한다.

- 보통 컴퓨터 부팅 시 초기화를 해야하는데 거기에 필요한 명령어들이 들어있는 곳이다.

- 쉽게 말해, ROM은 데이터의 변경 및 삭제가 없고 한 번 데이터가 박히면 그것을 영원히 쓴다는 느낌이다.

- 모든 가정제품의 프로세스의 메모리는 ROM으로 보면 된다. ( 변경이 필요없는 프로세스들이 들어간다. )

[2] PROM(Programmable ROM) : ROM과 같은 기능, 나중에 한 번더 데이터를 기록할 수 있는 특수한 ROM임.

 

(6) 메모리 기술

- 64k, 256M, 1GB ... 32GB DRAM

- 삼성전자 2024년 10월 세계 최초 12나노 24GB GDDR7 DRAM 개발

[1] 플래시메모리(flash memory)

- 비파괴 메모리 기술이며 전력이 필요없다는 특징이 있다.

- 비휘발성 메모리이며, 충격에 강하다.

- 대표적으로 USB가 존재한다.

[2] 캐시메모리

- 매우 빠르나 값이 비싸다는 특징이 있다.

- 자주 사용되는 데이터를 캐시 메모리에 저장하고 CPU는 거기서 먼저 가져오고 없으면 메모리에서 가져오는 특징.

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6. 입력, 처리, 출력의 데이터 처리과정

(1) 데이터 처리

- 파일 : 레코드들이 모여 하나의 파일을 구성

- 레코드 : 여러 필드의 모임, 하나의 처리단위

- 필드 : 데이터를 구성하는 하나의 단위

- 정리하면 필드가 모여서 레코드가 되고 레코드가 모여서 파일이 되는 구조이다.

ex) 주소파일 -> 하나하나의 주소들이 레코드 -> 주소들의 상세정보(우편번호, 이름)을 필드라고한다.

기록매체 : OMR / OCR 카드와 자기테이프 및 자기디스크 등을 사용함.

- CPU가 처리할 때 한 번에 한 레코드씩 주기억장치로 읽어 들여진다.

 

(2) 기본적인 자료 처리과정

1. 입력장치를 통해 데이터를 받게 된다.

2. 처리장치인 CPU를 이용하여 주기억장치의 명령어를 읽어들여와서 처리를 하게 된다.

3. 중간의 보조기억장치를 통해 정보를 읽어 들일 수 있고, 정보를 저장할 수도 있게 된다.

4. 출력장치(모니터, 프린터 등)에 내보내게 되어 사용자는 눈으로 볼 수 있게 된다.

 

(3) 데이터 입력 / 결과 출력

주기억장치에 입력하는 방법 : 음성, 키보드, 마우스, 펜, 터치스크린, OMR, OCR, MICR 카드, USB 등이 존재

출력방법 : 프린터, CRT, LCD 터미널, 자기테이프나 자기디스크, HDD, CD-ROM, DVD, USB 메모리 등

 

(4) 컴퓨터 명령어의 수행과정

- A+B*C 연산을 입력받고 컴퓨터가 처리한 뒤 출력하는 과정을 보여준다.

1. A+B*C를 입력을 받게 되고 주기억장치에 저장이 되게 된다.

2. CPU는 주기억장치에서 A, B, C의 데이터를 읽어 들이게 된다.

3. CPU는 B와 C를 곱한 결과값을 A에 더하게 되고 그 결과값을 출력을 하게 된다.

4. 이 과정에서 보조기억장치는 사용 될 수 있고 사용이 안 될 수도 있다.