[운영체제] Hardware 의 구조

 

폰 노이만 구조

 

현대의 대부분 컴퓨터들은 프로그램 내장방식의 "폰 노이만 구조"를 채택하고 있다.

폰 노이만 구조는 "폰 노이만" 이라는 수학자가 고안해서 만든 것이라 폰 노이만 구조라고 불린다.

고전 컴퓨터인 에니악(Eniac)에서는 하드웨어로 프로그램을 만들었기 때문에 

 

프로그램 로직이 달라질때마다 매번 스위치와 배선을 다시 조정해야 했다.

폰 노이만은 이를 해결하기 위해서 CPU와 메모리를 두고 

 

둘 사이는 버스(데이터를 전달하는 통로)로 연결하는 방식으로 컴퓨터를 새로 개발했다.

폰 노이만 구조를 채택한 컴퓨터에서 프로그램은 메모리에 올려져서 실행되는데, 

프로그램을 메모리에 내장했다고 해서 프로그램 내장방식이라고 부른다.

메모리에 올라간 프로그램들은 명령에 따라 처리되고,

 

에니악에서 프로그래밍 할 때처럼 하드웨어 배선을 바꾸는 대신

 

소프트웨어만 바꿔주면 되기 때문에 매우 편리해졌다.

 

 

 

현대의 컴퓨터 하드웨어 구조는 크게 메인보드, CPU, 메모리로 구성된다.

 

 

 

메인보드

 

현대 컴퓨터의 메인보드, 또는 마더보드는 컴퓨터의 중심 허브로서, 

 

모든 중요한 하드웨어 컴포넌트와 외부 장치가 연결되고 통신할 수 있도록 하는 기본 회로 기판이다.

 

메인보드의 설계와 구성 요소는 컴퓨터의 성능, 확장성, 그리고 호환성을 크게 결정한다.

 

메인보드의 주요 구성 요소

1) CPU 소켓

 

프로세서(CPU)가 설치되는 부분으로, 메인보드의 종류에 따라 다른 유형의 CPU를 지원한다.

 

소켓 유형은 특정 CPU 아키텍처와 직접 연결되며,

 

Intel과 AMD처럼 서로 다른 제조사의 소켓은 호환되지 않는다.

 

2) 램 슬롯 (메모리 슬롯)

 

RAM(랜덤 액세스 메모리) 모듈을 설치하는 슬롯이다.

 

대부분의 현대 메인보드는 DDR4 또는 DDR5 SDRAM 모듈을 지원하며,

 

슬롯의 수는 보통 2개에서 8개 사이다.

 

3) 칩셋

 

메인보드의 통제 센터로, CPU와 메인보드 상의 다른 컴포넌트 간의 데이터 흐름을 관리한다.

 

칩셋은 보통 노스브리지와 사우스브리지로 구분되었으나,

 

최근에는 하나의 칩으로 통합되는 경우가 많다.

 

4) 확장 슬롯 (PCI 슬롯)

 

추가적인 카드를 설치할 수 있는 슬롯으로, 그래픽 카드, 사운드 카드, 네트워크 카드 등 다양한 확장 카드를 설치할 수 있다.

 

PCI Express 슬롯은 현재 가장 흔히 사용되는 확장 슬롯 유형이다.

 

 

5) 저장 장치 커넥터

 

SATA(직렬 ATA)와 NVMe(M.2) 커넥터는 하드 드라이브,

 

SSD 등의 저장 장치를 메인보드에 연결한다.

 

 

6) 전원 커넥터

 

전원 공급 장치(PSU)에서 전력을 메인보드로 전달하는 커넥터다.

 

주 전원 커넥터는 보통 24핀이며, CPU 전원 커넥터는 일반적으로 8핀 또는 4 핀이다.

 

 

7) 입출력 포트

 

메인보드 뒷면에는 여러 가지 입출력 포트가 있다.

 

이들은 USB, HDMI, DisplayPort, 이더넷, 오디오 잭 등을 포함하며,

 

외부 장치와의 연결을 지원한다.

 

 

8) BIOS/UEFI 칩

 

시스템을 부팅하고 하드웨어 설정을 관리하는 펌웨어가 저장된 칩이다.

 

이 칩은 사용자가 시스템 설정을 구성하고 관리할 수 있게 해 준다.

 

 

9) 히트싱크 및 쿨링 팬 커넥터

 

CPU와 기타 발열 컴포넌트의 온도를 관리하기 위해 히트싱크와 쿨링 팬을 메인보드에 연결한다.

 

 

 

 

 

CPU (Central Processing Unit)

 

CPU는 Central Processing Unit의 약자로 중앙처리 장치라는 뜻이다.

CPU를 구성하는 장치는 세 가지고 나뉜다.

 

 

CPU의 주요 구성요소

 

산술 논리 연산장치 (ALU)

 

ALU는 CPU의 심장부라고 할 수 있으며, 

 

모든 산술(덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 등)과 논리(AND, OR, NOT, XOR 등) 연산을 담당한다.

 

프로그램이 실행되는 동안, ALU는 이러한 연산을 통해 데이터를 처리하고,

 

그 결과를 다시 메모리나 다른 하드웨어로 전송한다.

*산술 연산: 숫자 데이터에 대한 수학적 연산을 수행.
*논리 연산: 불리언 논리를 기반으로 데이터 비트에 대한 연산을 수행.
*비교 연산: 데이터 값을 비교하고 조건에 따른 분기를 결정함.

 

제어장치 (Control Unit, CU)

제어장치는 CPU의 또 다른 핵심 부분으로, 모든 CPU 활동을 조정하고 관리한다.

 

제어장치는 프로그램의 명령어를 해석하고,

 

그에 따라 CPU 내의 다른 부분들이나 연결된 하드웨어 장치들이

 

조화롭게 작동할 수 있도록 명령을 내린다.

1) 명령어 해석: 저장된 명령어를 해석하여 어떤 작업을 해야 할지 결정한다.

2) 명령어 실행: 해석된 명령어에 따라 ALU, 레지스터 등에 구체적인 작업을 지시한다.

3) 시퀀싱: 명령어의 실행 순서를 관리하고, 필요한 경우 명령어 사이의 순서를 조정한다.

 

 

레지스터 (Register)

레지스터는 CPU 내부에 위치한 매우 빠른 기억 장치로, 

 

처리 중인 데이터와 명령어를 일시적으로 저장한다.

 

레지스터는 데이터 접근 속도가 매우 빠르기 때문에,

 

CPU가 자주 사용하는 데이터나 중간 계산 결과를 저장하는 데 사용된다.

 

1) 데이터 레지스터: 산술 및 논리 연산에 사용되는 데이터를 저장한다.

2) 주소 레지스터: 메모리 주소를 저장하여, 메모리 관리에 사용된다.

3) 상태 레지스터: CPU의 상태를 나타내는 플래그(예: 오버플로, 제로, 캐리 플래그 등)를 저장한다.

4) 명령 레지스터: 현재 실행 중인 명령어를 저장한다.

 

 

 

 

Memoey (메모리)

 

메모리는 크게 RAM과 ROM으로 구별할 수 있다.

 

1) RAM (Random Access Memory)

 

램은 랜덤으로 데이터를 읽어도 저장된 위치와 상관없이 읽는 속도가 같다.

램은 전력이 끊기면 데이터를 모두 잃어버리기 때문에 메인 메모리로 사용한다.

 

2) ROM (Read Only Memory)

 

Rom 은 전력이 끝기도 데이터를 계속 보관할 수 있지만,

데이터를 한 번 쓰면 수정이 불가능하다. 

그래서 Rom 은 컴퓨터의 부팅과 관련된 바이오스를 저장하는 데에 주로 사용된다.

현대의 컴퓨터 시스템에서 ROM이라는 용어는 기술적으로는 부정확할 수 있으며, 

실제로는 플래시 메모리 또는 EEPROM이 사용되는 경우가 많다. 

이러한 기술적 변화는 펌웨어의 유연성과 확장성을 크게 향상했다.