내일배움캠프

[내일배움캠프] CPU와 메모리

김만규 2024. 5. 29. 11:10
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컴퓨터 구성 요소

컴퓨터가 이해하는 정보

  • 데이터: 컴퓨터가 처리하고 저장하는 정보입니다. 예를 들어, 숫자, 문자, 이미지, 오디오 등이 있습니다.
  • 명령어: 컴퓨터가 수행해야 할 작업을 지시하는 코드입니다. 예를 들어, 데이터를 더하거나 빼는 등의 연산 명령이 있습니다.

컴퓨터의 네 가지 핵심 부품

  1. CPU(중앙처리장치)
  2. 메모리
  3. 보조기억장치
  4. 입출력장치

 

CPU의 구성 요소

1. 산술논리 연산장치(ALU)

  • 역할: 산술 연산과 논리 연산을 수행합니다.

2. 제어부(CU)와 내부 버스

  • 제어부(CU) : 명령어를 컴퓨터의 각 부품이 올바르게 동작하도록 제어 신호를 전달
  • 내부 버스: CPU, 주기억장치, 입출력장치 등 컴퓨터의 주요 부품들 간에 데이터를 전달

3. 메모리 유닛

  • 레지스터 : 현재 처리 중인 명령어와 데이터를 임시로 저장
  • 캐시 메모리(L1) : CPU의 처리 속도를 높이기 위해 자주 사용하는 데이터를 임시로 저장

 

프로세서 레지스터

범용 레지스터 : 연산에 필요한 데이터나 연산 결과를 임시로 저장합니다.

 

특수목적 레지스터 종류

  • 메모리 주소 레지스터 (MAR): 주기억장치의 특정 위치를 가리키는 주소를 저장합니다.
  • 프로그램 카운터 (PC): 다음에 실행할 명령어의 주소를 저장합니다.
  • 명령어 레지스터 (IR): 현재 실행 중인 명령어를 저장합니다.
  • 메모리 버퍼 레지스터 (MBR): 주기억장치에서 읽어온 데이터나 저장할 데이터를 임시로 저장합니다.
  • 누산기 (AC): 연산 결과를 임시로 저장합니다.

 

CPU의 동작 과정

명령어 인출:

  • 설명: 제어부(CU)가 다음에 수행할 명령어를 주기억장치에서 가져옵니다.
  • 명령어 해독: 제어부가 명령어를 해독하여, 어떤 연산을 수행할지 결정하고 필요한 레지스터들을 준비합니다.
  • 명령어 실행: 해독된 명령어를 실행합니다. 예를 들어, ALU가 연산을 수행하거나 데이터를 이동합니다. 
  • 결과 반영: 실행 결과를 메모리에 저장하거나 다음 명령어를 위해 준비합니다.

CPU 성능 요소

쿨럭

  • CPU 내부에서 일정한 주파수를 가지는 신호로, 이 신호로 모든 명령어가 동작되게 됩니다.
  • 1Hz(헤르츠) 면 1초에 한 번의 주기. 1기가 헤르츠라고 하면 1초에 1기가만큼(1024메가), 즉 10억 번 정도인 셈입니다.
  • 따라서 클럭 주파수가 빠를수록 제한된 시간에 더 많은 명령을 처리할 수 있기에 더 좋은 성능의 중앙 처리 장치라고 할 수 있습니다.

 

코어

  • 코어는 중앙처리 장치 역할을 하는 블록을 뜻합니다.
  • 즉, 멀티 코어들은 싱글 코어에 비해서 마치 여러 개의 CPU(요리사)가 작동하듯이 많은 연산을 빠르게 병렬 처리할 수 있습니다.
  • 물론 컴퓨터의 전체적인 성능은 CPU 만으로 결정되지는 않습니다. (메모리도 중요) 하지만, 가장 중요한 부분이라고 할 수 있는건 푸드트럭의 요리사 또는 사람의 뇌에 해당하는CPU입니다.

 

메모리

캐시메모리

CPU구성에서 본 캐시메모리는 L1 캐시메모리이며 메모리 그룹에 속한 캐시메모리는 L2, L3 캐시메모리입니다.

  • L2, L3 캐시메모리는 메인 메모리에 있는 데이터를 캐시 메모리에 불러와 놓고, CPU가 필요한 데이터를 캐시에서 먼저 찾도록 하여 시스템 성능을 향상해 줍니다. (레지스터와 비슷하지만 다름)
  • L2, L3 캐시메모리 vs CPU 레지스터

주 기억장치

  • 컴퓨터의 CPU가 현재 처리 중인 데이터나 명령만을 일시적으로 저장하는 휘발성 메모리입니다.
  • 전원이 꺼지면 메인 메모리에 저장된 내용들은 모두 사라지기 때문에 컴퓨터가 꺼진 이후에도 데이터를 유지하고 싶을 경우에는 데이터를 하드디스크에 저장해야 합니다.
더보기

SRAM🏎️ - Static RAM

  • 정적 메모리
  • 전원 공급이 되는 동안은 기록된 내용이 지워지지 않기 때문에 재충전이 필요 없습니다.
  • 접근 속도가 빠르고 가격이 비싸다는 특징이 있으며 주로 캐시메모리나 레지스터로 사용됩니다.

DRAM🚌 - Dynamic RAM

  • 동적 메모리
  • 전원이 계속 공급되더라도 주기적으로 재충전되어야 기억된 내용을 유지할 수 있습니다.
  • 주로 대용량의 기억장치에 사용되며 가격이 저렴합니다.
  • 주로 RAM이라고 표현하는 것(주기억장치)은 거의 DRAM을 가리킵니다.

 

CPU와 메모리 동작

  1. 주기억장치가 입력장치에서 입력받은 데이터 또는 보조기억장치에 저장된 프로그램을 읽어온다
  2. CPU는 프로그램을 실행하기 위해 주기억장치에 저장된 프로그램 명령어와 데이터를 읽어와 처리하고 결과를 다시 주기억 장치에 저장한다
  3. 주기억장치는 처리 결과를 보조기억장치에 저장하거나 출력장치로 보내서 출력시킨다
  4. CPU 내의 **제어장치(CU)**가 1~3번 과정에서 명령어가 순서대로 실행되도록 각 장치들을 제어한다
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