Ch1. 컴퓨터 구조

 

 

 

 

 

할 수 있 다 - !

 

 

 

컴퓨터의 구성요소 : CPU, 메모리(휘발성), 디스크(비휘발성), 입출력장치
고전컴퓨터(이진수 사용) vs 양자컴퓨터(비트 중첩가능-0과 1 동시에 가질 수 있음)
온프레미스 : 자체적으로 서버, 네트워크 등을 직접 구축하고 내부에서 운영하는 방식

컴퓨터 시스템 개요

1. 시스템

• 여러 구성요소들이 체계적으로 상호작용하도록 얽힌 집합체
• 사회시스템, 경제시스템 등에서 사용하는 시스템과 같은 의미 → 컴퓨터 시스템

2. 컴퓨터 시스템 분류 방식

• 처리 방식 기준
  • 아날로그 컴퓨터
    • 물리적 기계 동작의 상호작용으로 작업을 처리하는 컴퓨터
    • 물리적-증기, 석탄, 전기 등 의미(전기는 동력일뿐 작업을 해결하는 요소가 아님)
    • 1900년 시작과 함께 발전 : 가장 크게 성장한 시기는 2차 세계대전
  • 하이브리드 컴퓨터
    • 전기의 신호를 받아 물리적 기계동작으로 작업을 처리하는 컴퓨터
    • 동력은 전기를 사용
    • 기존의 아날로그 컴퓨터와 동일하게 작업을 처리
    • 작업 처리 명령을 컴퓨터와 같은 기계로 진행
  • 디지털 컴퓨터
    • 0과 1의 디지털로 변경하여 작업을 처리하는 컴퓨터
    • 동력은 하이브리드 시스템과 동일하게 전기 사용
    • 현재 우리가 사용하는 모든 컴퓨터 시스템
• 처리 규모 기준
  • 스마트폰 : 기존의 모바일 기기와 개인용 컴퓨터를 결합
  • 마이크로 컴퓨터
    • 기존의 컴퓨터를 상대적으로 작게 만든 컴퓨터
    • 현재는 단가가 낮으며, 초소형 컴퓨터 의미 ex) 라즈베리파이, 아두이노
  • 노트북과 개인용 컴퓨터 cf) 서버용 컴퓨터 : 리눅스(무료) vs 개인용 컴퓨터 : 윈도우(유료)
  • 슈퍼 컴퓨터
    • 과학기술연산을 위해 특별하게 제작된 고성능, 고용량 컴퓨터
    • 기상예측, 핵무기 시뮬레이션, 전쟁 시뮬레이션
    • 중국, 미국, 일본

3. 폰노이만의 시스템 구조

• 일반적인 시스템 구조 : 입력 > 처리 > 출력
• 특징
  • 명령어와 데이터를 위한 메모리 인터페이스는 오직 하나
  • → 명령어와 데이터가 같은 메모리에 저장
  • 명령어를 읽을 때 데이터를 읽거나 쓸 수 없음(병목현상 발생)
  • 데이터와 명령어 사이에 구분 없음
  • 100~250개의 명령어 존재(몇몇 명령은 특별한 동작때만 사용되기에 비효율적)
  • 메모리의 저장 형태는 평면 메모리 모델이 사용되며, CISC 프로세서 모델로 분류
• 구성요소(5개)
  • 입력 유닛
  • 출력유닛
  • 산술논리유닛 : 실질적인 연산 수행
  • 제어유닛 : 데이터의 흐름을 관리하며 한번에 하나원리에 의거 데이터를 처리
  • 메모리 : 프로그램의 시작과 데이터 기억을 담당 → RAM
• 폰노이만 구조의 CPU
  • 산술논리유닛(ALU) : 연산을 실제로 수행하는 장치
  • 제어유닛(CU) : 메모리에서 명령어 가져오기, 명령어 해석, 다른 장치에게 동작 지시
  • 캐시 : CPU와 메모리 사이의 초고속 임시 저장소(자주 사용하는 데이터 미리 저장)
  • 레지스터 : CPU 내부에 있는 가장 빠른 메모리(연산이 필요한 데이터를 잠깐 저장)
    1. 프로그램 계수기(PC) : 다음에 실행할 명령어의 주소를 저장하는 레지스터
    2. 메모리 주소 레지스터(MAR) : 접근하려는 메모리 주소를 저장
    3. 메모리 데이터 레지스터(MDR) : 메모리에서 읽은 실제 데이터를 저장
    4. 계수기(ACC) : 연산 결과를 임시 저장하는 레지스터
• 폰노이만 구조의 메모리 : 명령과 데이터가 구분되어 있지 않은 구조, 평면 메모리 모델

4. 하버드 시스템의 구조

• 폰노이만 구조의 변형
  • 병목현상을 해결하기 위한 구조
  • 데이터와 명령의 메모리 구조 분리
  • 속도적 성능 우수
• 폰노이만 구조에 비해 상대적으로 적은 명령어 및 어드레싱 모드
• 모든 동작은 CPU의 레지스터 안에서 수행
• 프로그램된 제어보단 하드웨어된 제어를 수행
• RISC 프로세서 모델 가짐

컴퓨터 하드웨어

1. 정의 및 물리적 구조

• 컴퓨터에서 사용하는 물리적 부품 및 구성요소
  • CPU, 모니터, 키보드, 하드 디스크, 그래픽 카드, 마더보드 등
  • 입력, 연산, 제어 기억, 출력 다섯가지 기능으로 구현

2. 물리적 구조

• 인쇄 회로 기판(PCB)
  • 물리적 장치를 연결하기 위한 구성
  • 메인보드라 불림
  • 데이터 전달을 위한 통신채널 구성(시스템 버스) : 노스브릿지와 사우스브릿지로 구성
• 노스브릿지 : 머리역할을 담당(CPU와 고속 장치를 연결하는 칩, 속도가 중요한 장치)
  • CPU(중앙처리장치)
    • 레지스터 : 연산하기 위한 값과 연산한 결과를 기억
    • ALU : 이러한 기억에 의존하여 연산
    • CU : 명령을 해석하고 제어
    • 최신 CPU는 자체적으로 Grephics Processor를 가짐
    • CPU의 처리 과정② 동작할 명령을 받음④ 디코딩된 명령은 AND, OR등 간단하며, 고속으로 연산할 수 있는 ALU에서 진행⑥ 최종적으로 연산 후 생성되는 값은 CU를 통해 메모리에 적재
    • ⑦ 적재된 데이터는 출력 장치나 보조 기억 장치로 전달
    • ⑤ 이 과정에 기록해야할 데이터는 레지스터에 씀
    • ③ 레지스터와 ALU가 소화할 수 있는 명령 형태로 디코딩 진행
    • ① CU가 제어 버스를 통해 RAM으로부터 데이터를 읽음
  • RAM(물리 메모리)
    • 임의 접근 메모리 : 메모리의 어느 부분을 접근하든 동일 시간으로 접근가능함을 의미
    • CPU와 물리적으로 위치가 가까움
    • 대부분의 시스템은 폰노이만 구조를 따름
  • GPU(그래픽 카드)
    • 고성능 그래픽을 처리하기 위한 요소 → 동시처리, 대조에 유리
    • 고성능 처리를 위해 CPU와 RAM과 가까운 곳에 위치
    • 과거의 그래픽 카드는 가속 그래픽 포트(AGP)를 사용 → 현재는 빠른 처리를 위해 PCle사용
    • 최근에는 GPU를 위한 메모리가 존재 → 여기에 악성코드 심을 수 있음
• 사우스브릿지 : 몸통역할을 담당(비교적 느린 장치들을 관리하는 칩, BIOS, USB, PCI, HDD 등)
  • BIOS(Basic Input Output System) cf) UEFI(부팅 빠름, 플래시 메모리에 저장)
    • 펌웨어의 일종 → 펌웨어는 하드웨어와 소프트웨어 사이에 위치
    • 하드웨어가 추가되거나 변경된 정보를 소프트웨어에서 처리할 수 있도록 전달하는 기능
    • 부팅절차에서 주로 사용
      1. 메모리를 검사하여 운영할 하드웨어를 찾고 테스트하여 운영체제가 제어하고 관리할 수 있도록 준비
      2. 하드웨어를 찾는 과정은 CMOS가 도와줌(CMOS-장치에 관한 정보 저장, 리튬배터리사용)
    • 과거에 MASKROM이나 EPROM에 BIOS를 저장해서 사용
    • → 예기치 않은 상황이 발생하면 부팅에 문제가 발생 > 요즘 플래시 메모리 사용
    • 바이오스를 공격한 악성코드로 CIH 바이러스가 있음
  • USB(범용 직렬 버스)
    • 주변기기들을 편리하게 연결하기 위해 만들어짐
    • 유형에 따라 A, B, C타입 존재, 크기에 따라 미니, 마이크로 구분
    • 항상 쌍으로 존재(플러그와 잭)
    • 외부 장치와 연결할 수 있는 기능 때문에 정보보안에 문제 많이 발생
    • USB를 이용한 공격 : BadUSB, USBKiller
  • SATA(HHD 특화) ↔ NVMe(M.2) : SSD 특화
    • HDD나 SSD를 메인보드에 연결하는 방식
    • 직렬 ATA를 의미
    • 물리적인 하드디스크를 연결하기 위한 버스의 한 종류
    • 주로 SATA3를 사용, 노트북은 mSATA 이름으로 사용
    • 전력공급이 중단되어도 데이터가 사라지지않음 → 비활성 데이터<HDD>
    • 삭제된 파일을 복구할 수 있음 : 디지털 포렌식, 악성코드 흔적검사

3. 메모리 반도체

• 휘발성
  • RAM
    • SRAM
    • DRAM → SDRAM(DDR, GDDR, LPDDR)
• 비휘발성
  • RAM : NVRAM
  • ROM
    • subborn-read-only : diode matrix → mask ROM <삭제 및 수정 불가>
    • flexible-read-only : PROM→ EPROM → EEPROM<삭제 및 수정 가능>
• ROM(Read-Only-Memory)
  • 고속 기억 장치 또는 읽기 전용 기억기
  • 비휘발성 메모리 : 전원이 차단되어도 내용을 기억하는 메모리
  • ROM 종류에 따라 수정여부가 다르지만 수정이 쉽지않음
  • diode matrix, mask ROM, PROM, EPROM, EEPROM, 플래시 메모리(NAND Flash, NOR Flash)
• 플래시 메모리
  • 반도체 유형을 가지고 있고, 읽고 쓰기 가능 → 덮어쓰기 불가능
  • NOR Flash ex) RAM
    • 임의 접근 방식, 병렬구조, (NAND 보다) 읽기 속도가 빠름
    • 응용프로그램 실행시 메모리가 없어도 실행가능
    • → 주소단위로 접근(Random Access 방식이기 때문)
    • 병렬이기에 회로가 복잡, 대용량화 어려움, (NAND보다) 쓰기 속도 느림
  • NAND Flash ex) SSD, USB 등
    • 순차 접근 방식, 직렬구조, (NOR보다) 쓰기 속도가 빠름, 대용량화 가능(SSD)
    • 응용프로그램 실행시 메모리가 필요
    • → 블록단위로 접근(페이징/블록 + offset 방식이기 때문)
    • 직렬이기에 회로가 단순, 대용량화 가능, (NOR보다) 읽기 속도 느림
• NOR vs NAND

구분	NOR 플래시	NAND 플래시
용도	실행코드	데이터 저장
활용	RAM	USB, SSD
읽기	셀 단위 접근, 빠름	블록 단위 접근, 느림
쓰기	셀 단위 접근, 느림	블록 단위 접근, 빠름
밀도	셀 단위, 저밀도	블록 단위, 고밀도
가격(용량대비)	고가	저가

• NAND 플래시의 데이터 저장 방식
  • 비트로 표현할 수 있는 전기를 저장하는 메모리 셀을 제공
  • 한개의 메모리 셀에 몇개의 비트를 저장하는가에 따라 셀 레벨로 구분

    구분	SLC (Single Level Cell)	MLC (Multi Level Cell)
    읽기	가장 빠름	SLC보다 느림
    쓰기	단일 비트 쓰기	2비트 동시기록
    수명	최대 약 10만회	약 1만회
    가격(용량대비)	고가	보통

 

4. 하드디스크 종류 및 구조

• 하드디스크
  • 특징
    • 비휘발성, 순차접근, 보조기억장치
    • 크기에 따라 3.5인치, 2.5인치가 주로 사용
    • 연결방식에 따라 IDE, SATA, SAS 등이 사용
    • 자기 기록 매체 : 자기장 밀도를 이용해 0과 1의 디지털로 표현, 헤더가 자기장 밀도를 측정
  • IDE ATA
    • IDE > EIDE > PATA 순으로 발전
    • 클럭 한계에 따른 최대 속도 제한 : 최대 100MB/s 속도
    • → 데이터 전송 속도가 높아질시 자기장 발생 > 데이터 무결성 저하
    • 회전속도 최대 5,400 RPM
    • 전원 종료한 후 설치
    • 케이블 길이 최대 45CM
  • SATA
    • 현재 일반 PC에서 SATA3 방식을 사용
    • 메인보드의 SATA 포트번호에 따라 마스터/슬레이브가 나누어짐
    • 전원이 켜진 상태에서 설치 가능
    • 회전속도 2.5인치-최대 5,400RPM, 회전속도 3.5인치-최대 7,200RPM
    • 최대속도 600MB/s
    • 케이블 길이 최대 1M
  • SAS
    • 병렬 SCSI에서 발전한 모델
    • 현재 3세대까지 개발되고 4세대 개발중
    • 주로 서버에서 고성능용으로 사용
    • 회전속도 최대 15,000RPM
    • 최대속도 12GB/s
    • 케이블 길이 최대 10M
  • SSD(Solid State Drive)
    • 비휘발성, 순차접근, 보조기억장치
    • 크기에 따라 2.5인치 이하
    • 연결방식에 따라 PCle, SATA, M.2를 사용
      1. M.2와 2.5인치 SATA3와 성능적으로 동일
      2. PCle은 1.5배
    • 메모리 반도체 : NAND 플래시 메모리 유형 사용, 전기저장 유무로 0과 1을 표현
    • 서버용으로 사용하지않음(데이터 저장 한계)