[Ch1. 컴퓨터 추상화 및 관련 기술] 4. 케이스를 열고

Reference :
- 컴퓨터 구조 및 설계 MIPS EDITION [6판] / David A. Patterson / 한빛에듀
- 건국대학교 컴퓨터구조 강의 / 박능수 교수님
- https://developbear.tistory.com/ (김베어의 개발일지)

컴퓨터 하드웨어

데이터 입력, 데이터 출력, 데이터 처리, 데이터 저장의 네 가지 기본 기능을 수행

 

입력 장치(input device)

키보드나 마우스같이 컴퓨터에 정보를 공급하는 장치

ex) 마이크

 

출력 장치(output device)

연산의 결과를 사용자나 다른 컴퓨터에 보내 주는 장치

ex) 스피커

 

컴퓨터의 고전적 구성 요소 다섯 가지는 입력, 출력, 메모리, 데이터패스(datapath), 제어(control) 유닛이다.

데이터패스와 제어는 묶어서 프로세서(processor) 또는 CPU(Central Processor Unit)로 부른다.

 

1. 프로세서는 메모리(memory)에서 명령어와 데이터를 읽는다.
2. 데이터패스는 연산을 수행하고, 제어 유닛은 데이터패스, 메모리, 입력장치, 입출력 장치의 동작을 결정하는 신호를 내보낸다.
3. 입력장치는 메모리에 데이터를 쓰고, 출력장치는 메모리에서 데이터를 읽는다.

---

디스플레이

LCD(Liquid Crystal Display)

액상 중합체를 얇은 층으로 만들어서 빛을 통과시키거나 차단하는 디스플레이 기술, 빛의 통과 여부는 전기로 제어

• 대부분의 개인 휴대용 기기들은 얇고 전력 소모가 적은 LCD 사용
• 오늘날의 LCD는 능동 행렬을 사용해서 더욱 선명한 이미지를 제공
• 매 화소마다 R-G-B 마스크가 있어서 각 원색의 강도를 결정
• 컬러 능동 행렬 LCD에는 화소마다 3개의 트랜지스터 스위치가 있음

 

능동행렬 (active matrix)

트랜지스터를 이용해서 각 화소의 빛 통과 여부를 제어하는 액정 디스플레이

 

화상 (화면 표시 요소)

화소의 행렬로 구성되며 이것을 비트맵 (bit map)이라 부르는 비트들의 행렬로 표현됨

 

화소 (pixel)

영상을 구성하는 제일 작은 원소, 화면은 수십만에서 수백만 개의 화소가 행렬 모양으로 배열된 것

 

프레임버퍼(frame buffer)

그래픽을 지원하는 하드웨어의 중심

=> 그래픽 하드웨어는 스크린에 표시될 화상을 프레임 버퍼에 저장하였다가, 기억된 각 화소의 비트 패턴을 재생 속도에 맞추어 그래픽 디스플레이에 보낸다

 

---

터치스크린

PC가 LCD 디스플레이를 사용하는 반면, 태블릿과 스마트폰은 키보드와 마우스 대신 터치를 감지하는 디스플레이를 사용

 

정전용량 감지 기법

사람이 손을 댔을 때 손에 전기가 통하기 때문에 스크린의 정전기장이 찌그러지면서 정전용량이 변하게 된다

---

상자를 열고

집적회로 (integrated circuit, IC) or 칩 (chip)

: 수천만 개의 트랜지스터가 결합된 부품

 

CPU (central processor unit)

: 프로세서라고도 부른다. 데이터패스와 제어 유닛으로 구성된 컴퓨터의 핵심 부분으로, 숫자를 더하거나 검사하고, 입출력 장치에 신호를 보내 활성화하는 일을 한다.

 

데이터패스 (datapath)

: 산술 연산을 수행하는 프로세서 구성 요소

 

제어유닛 (control unit)

: 프로그램의 명령어에 따라 데이터패스, 메모리, 입출력 장치에 지시를 하는 프로세서 구성 요소

 

ABI (application binary interface)

: 명령어 집합 중 사용자 부분과 응용 프로그래머가 사용하는 운영체제 인터페이스를 합친 것

 

명령어 집합 구조 (Instruction Set Architecture)

하드웨어와 소프트웨어는 추상화를 이용하여 계층적으로 구성된다.

즉, 각 하위 계층의 복잡하고 세세한 부분이 상위 계층에서는 보이지 않도록 하는 것이다.

 

여러 계층의 추상화 중 가장 중요한 부분은 하드웨어와 최하위 소프트웨어 간의 인터페이스이다.

이를 명령어 집합 구조(Instruction Set Architecture)라고 하며, 단순히 구조(Architecture)라고도 부른다.

 

 

장점

• 같은 ISA 위에서는 여러가지의 구현이 가능하다. (똑같은 명령어에 대하여 다른 결과를 낼 수 있음)
• ISA를 통해 다른 컴퓨터들 사이에서 같은 응용 프로그램의 실행이 가능해졌다.

단점

• 새로운 ISA로 변경할 경우 기존의 소프트웨어들이 실행되지 않기 때문에 새로운 ISA가 등장할 가능성이 적어 시장이 독점된다.

 

하드웨어 상에서 돌아가는 기계어나 각종 회로들, 저장 장치들의 세세한 모든 것들은 너무 많고 복잡하기 때문에

이를 단순화하는 목적으로 컴퓨터 시스템에 추상화가 사용된다.

 

 

* 추상화(abstraction)

복잡한 자료, 모듈, 시스템 등으로부터 핵심적인 개념 또는 기능을 간추려 내는 것

 

* 이진 코드 호환성 (Binary Compatibility)

중앙 처리 장치의 구조가 동일한 컴퓨터들 사이에서 응용 프로그램의 호환 운영이 가능하도록 만든 규격

---

메모리 (Memory)

: 실행 중인 프로그램과 프로그램 실행에 필요한 데이터의 저장소

• 메모리는 DRAM(Dynamic Random Access Memory) 칩으로 구성되어 있다.
• DRAM 여러 개를 묶어 프로그램의 명령어와 데이터를 기억하는 데 사용되는데, DRAM은 용량이 크지만 속도가 느리다.
• 따라서 DRAM의 버퍼 역할을 하는 작고 빠른 메모리, 캐시 메모리(cache memory)를 프로세서 내부에 둔다.
• 캐시는 SRAM(Static Random Access Memory)이라는 다른 메모리 기술을 이용하며, 속도가 DRAM보다 빠르지만 집적도가 낮아서 가격이 비싸다.

 

* 집적도 : 동일한 면적에서 반도체 칩이 얼마나 많은 논리소자로 구성되어 있는지를 나타내는 척도

* 논리소자 : 논리 연산을 하는 최소 단위의 회로

DRAM과 SRAM은 메모리 계층구조의 두 계층을 구성한다.

 

메모리

: 실행 중인 프로그램과 프로그램 실행에 필요한 데이터의 저장소

 

DRAM (dynamic random access memory)

: 집적회로로 만든 메모리의 일종. 어떤 위치든지 임의로 접근할 수 있다. 

 

캐시 메모리

느리고 큰 메모리의 버퍼로 동작하는 작고 속도 빠른 메모리

 

SRAM (static random access memory)

집적회로로 만들어지는 것은 같지만, DRAM보다 빠르면서 집적도가 낮은 메모리

---

컴퓨터 간의 통신

컴퓨터 네트워크를 통해서 컴퓨터 전체가 서로 연결되어 사용자의 계산 능력을 확장시켜 준다.

 

[네트워크로 컴퓨터들을 연결했을 때의 장점 3가지]

1. 통신

컴퓨터끼리 고속으로 정보를 주고받을 수 있다.

 

2. 자원 공유

컴퓨터마다 입출력 장치를 따로따로 갖출 필요 없이

네트워크 상의 모든 컴퓨터가 입출력 장치를 공유할 수 있다.

 

3. 원격 접근

컴퓨터들을 연결하면 멀리 떨어져 있는 컴퓨터도 쉽게 이용할 수 있다.

 

 

[네트워크의 종류]

- 근거리 네트워크 (Local Area Network, LAN)

: 지리적으로 제한된 지역(ex. 한 건물 내)에서 데이터를 주고받도록 설계된 네트워크를 말한다.

=> 가장 널리 알려진 이더넷(Ethernet)이 LAN의 일종이다. (연결할 수 있는 거리는 대략 1km 정도, 초당 40기가 비트 전송 가능)

 

- 원거리 네트워크 (Wide Area Network, WAN)

: 여러 대륙들을 연결하여 웹(World Wide Web)을 지원하고 있는 인터넷(Internet)의 근간을 이루는 네트워크를 말한다.

=> 보통 광섬유(optical fiber)로 구성하며, 통신회사에서 임대해준다.