Hminchae
commented
8 months ago 컴퓨터 구조와 관련하여 CPU, RAM, 저장장치의 역할과 상호 작용에 대해 설명해주세요
🤚 컴퓨터 구조
CPU
메모리에 저장된 명령어를 읽어들이고, 해석하고, 실행하는 부품. 레지스터, 제어장치, ALU 로 구성됨
01. ALU : 계산기
- ALU 는
레지스터로부터피연산자를 받아들이고,제어장치로부터제어 신호를 받아들인다.연산결과는레지스터에,연산결과에 대한 부가정보(부호, 오버플로우 등)는플래그 레지스터에 저장02. 제어장치 : 제어신호를 내보내고, 명령어를 해석하는 장치
- 제어장치가 받아들이는 정보
클럭신호: 컴퓨터의 모든 부품을 일사불란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위명령어 레지스터로부터의 해석할명령어플래그 레지스터로부터의플래그- 제어신호
- 제어장치가 내보내는 정보
- CPU 내부:
레지스터에 보내는 제어신호,ALU에 보내는 제어신호- CPU 외부:
메모리에 보내는 제어신호,입출력장치에 보내는 제어신호03. 레지스터
- 레지스터는 CPU 내부의 작은 임시저장장치, 프로그램 속 명령어 & 데이터는 실행 전후로 레지스터에 저장
- 프로그램 카운터, 명령어 레지스터, 메모리 주소 레지스터, 메모리 버퍼 레지스터, 플래그 레지스터, 범용 레지스터, 스택 포인터, 베이스 레지스터 등이 있음
주기억장치(RAM)
프로그램이 실행되기 위해서는
메모리에 저장되어 있어야 하며, 메모리는실행되는 프로그램의명령어와데이터를 저장한다.- 휘발성 저장장치, RAM이 크다는 것은 큰 책장을 옆에두고 작업하는 것과 같음
- DRAM(Dynamic RAM): 저장된 데이터가 동적으로 사라지는 RAM,
데이터 소멸을 막기위해 주기적으로재활성화하여야 함 -> 상대적으로소비전력이 낮고저렴하고집적도가 높아대용량으로 설계하기 용이함- SRAM(Static RAM): 저장된 데이터가 사라지지 않음. 일반적으로
캐시메모리에서 사용되는 RAM. 상대적으로소비전력이 높고가격이 높고집적도가 낮아대용량으로 설계할 필요는 없으나 빨라야 하는 장치에 사용함보조기억장치
- 보조기억장치 : 비휘발성 저장장치
- 하드 디스크 : 자기적인 방식으로 데이터 저장
- 플래시 메모리 : ex)SSD, USB, SD
저장 장치 계층 구조(memory hierachy)
- CPU와 가까운 저장 장치는 빠르고, 멀리있는 저장 장치는 느림
- 속도가 빠른 저장 장치는 저장 용량이 작고, 가격이 비쌈
👉 1. 캐시 메모리의 개념과 종류, 역할
캐시 메모리 개념
"CPU가 매번 메모리에 왔다 갔다 하는건 시간이 오래걸리니, 메모리에서 CPU가 사용할 일부 데이터를 미리 캐시 메모리로 가지고 와서 쓰자"
- CPU와 메모리 사이에 위치한, 레지스터보다 용량이 크고 메모리보다 빠른 SRAM 기반의 저장 장치
- CPU의 연산 속도와 메모리 접근 속도의 차이를 조금이나마 줄이기 위해 탄생
- 메모리에 접근 ≒ 물건을 사러 가는 것
- 캐시 메모리 ≒ 물건이 많지는 않아도 집과 가까운 편의점
계층적 캐시 메모리(L1-L2-L3 캐시)
- 일반적으로 L1캐시와 L2캐시는 코어 내부에, L3캐시는 코어 외부에 위치
참조 지역성의 원리
CPU가 메모리에 접근할 때의 주된 경향을 바탕으로 만들어진 원리
- CPU는 최근에 접근했던 메모리 공간에 다시 접근하려는 경향
- CPU는 접근한 메모리 공간 근처를 접근하려는 경향 => 캐시 적중률 향상
- 캐시 메모리는 CPU가 자주 사용할 법한 내용을 예측하여 저장
- 캐시 히트: 위 예측이 맞았을 경우
- 캐시 미스: 위 예측이 틀렸을 경우
- 캐시 적중률 = 캐시 히트 횟수/ (캐시 히트 횟수 + 캐시 미스 횟수) -> 성능 높음!
👉 2. CPU 아키텍처의 종류(예: ARM, x86)와 특징
ISA(Instruction Set Architecture)
- CPU의 언어
- 하드웨어와 소프트웨어 사이의 Interface를 정의하는 것. 하드웨어와 프로그램 사이의 매개체 역할
- ARM, x86등은 ISA의 종류임
x86
CISC(Complex Instruction Set Computing)이라는 명령어 세트를 사용- 명령어의 길이와 복잡성이 높아서 명령어 해석이 복잡하고 많은 하드웨어 리소스를 필요로함
- 높은 전력을 사용하면서도 처리 속도가 느림(에너지 효율성 나쁨)
- 많은 프로그램들이 x86 아키텍처를 대상으로 개발되어 왔음
- 적용분야
- 개인PC, 서버, 워크스테이션 등
ARM
- 개인PC, 서버, 워크스테이션 등
RISC(Reduced Instruction Set Computing)라는 명령어 세트를 사용- 단순하고 일관성 있으며 빠르게 명령어를 처리할 수 있으며, 하드웨어 리소스를 적게 사용
- 적은 전력을 사용하면서도 빠르게 명령어를 처리할(에너지 효율성 좋음)
- x86 프로그램을 실행하기 위해서는
에뮬레이션이라는 작업을 해야함 - 적용분야
- 모바일 기기, 임베디드 시스템, IoT 디바이스, 스마트 홈
- M1, M2칩 : ARM 기반의 프로세서, ARM 아키텍처를 사용하면서도 맥OS에서 돌아가는 x86 프로그램들을 에뮬레이션 없이도 실행할 수 있음
👉 3. iOS 기기에서 사용되는 AP(Application Processor)의 특징과 역할
AP(Application Processor)
컴퓨터에 들어가는 CPU는 정보를 처리하는 연산장치, 하지만 스마트폰의 AP칩은 컴퓨터의 CPU, 메모리, GPU 등의 기능을 한꺼번에 가지고 있어서 SoC(System on Chip)이라고 함.
Apple Silicon
Apple에서 설계한 SoC(System on Chip) 및 SiP(System in Package)
- ARM Holdings에서 개발한 CPU 아키텍처의 라이센스를 취득해 ARM Cortex-A 시리즈 소속 CPU 아키텍처를 사용하거나, 명령어셋 라이센스를 취득해 자체적인 ARM 호환 CPU 아키텍처를 설계해 사용하고 있음
- 오직 Apple 기기에만 탑재됨
- CPU는 ARM 명령어 세트를 사용하지만 아키텍처는 자체 설계임
- Apple이 자체적으로 보유한 셀룰러 통신 모뎀 솔루션이 없기 때문에 이동통신 네트워크를 모바일 AP에서 지원하는 원칩 AP는 존재하지 않는다.
- iPhone이나 iPad 등 통신 모뎀 솔루션이 필요한 기기에는 인텔이나 Qualcomm에서 공급받아 사용함
📎 참조
- 혼자 공부하는 운영체제
- x86과 ARM: 둘의 차이점
- Apple Silicon
bdrsky2010
hamfan524
ha-nabi
컴퓨터 구조와 관련하여 CPU, RAM, 저장장치의 역할과 상호 작용에 대해 설명해주세요.