[운영체제] 컴퓨터의 기본 구성
* 하드웨어의 구성
컴퓨터는 중앙처리장치(CPU), 메인메모리, 입력 장치, 출력 장치. 저장 장치로 구성된다. 중앙처리장치와 메인 메모리는 필수 장치, 중앙처리장치와 메인메모리 외의 부품은 주변 장치라고 한다. 메인메모리는 전력이 끊기면 데이터를 잃어버리기 때문에 데이터를 영구히 보관하려면 하드디스크나 USB 메모리를 사용해야 한다. 그래서 메인메모리를 제1 저장장치, 하드디스크나 USB 메모리 같은 메모리를 제2 저장장치 또는 보조저장장치라고 부른다.
1. CPU와 메모리
CPU는 명령어를 해석하여 실행하는 장치로, 인간에 비유하면 두뇌에 해당한다. 메모리는 작업에 필요한 프로그램과 데이터를 저장하는 장소로, 바이트 단위로 분할되어 있으며 분할 공간마다 주소로 구분한다.
2. 입출력장치
입력장치는 외부의 데이터를 컴퓨터에 입력하는 장치로, 초기의 컴퓨터는 천공 카드를 사용했으나, 지금은 키보드, 마우스, 스캐너 등을 사용하고 있다. 최근에는 스마트폰의 보급으로 터치 스크린이 각광받고 있다. 출력장치는 컴퓨터에서 처리한 결과를 사용자가 원하는 형태로 출력하는 장치로 프린터, 모니터, 스피커 등이 있다.
3. 저장장치
메모리는 전자의 이동으로 데이터를 처리하지만 하드디스크나 CD와 같은 저장장치는 구동 장치가 있는 기계이므로 속도가 느리다. 이렇게 느린 저장장치를 사용하는 이유는 저장 용량에 비해 가격이 싸기 때문이다. 저장장치는 메모리보다 느리지만 저렴하고 용량이 크며, 전원 온.오프와 상관없이 데이터를 영구적으로 저장한다. 저장장치는 자성을 이용하는 장치, 레이저를 이용하는 장치, 메모리를 이용하는 장치로 구분할 수 있다. 자성을 이용하는 장치는 카세트 테이프, 플로피 디스크, 하드디스크 등이 있다. 레이저를 이용하는 장치는 CD, DVD, 블루레이디스크 등이 있다. 메모리를 이용하는 장치는 USB 드라이버, SD카드, CF카드, SSD 등이 있다.
4. 메인보드
컴퓨터의 다양한 부품은 버스로 연결된다. 교통 수단인 버스는 정해진 경로로 다니는데 컴퓨터의 버스도 일정한 규칙에 따라 각 장치에 데이터를 전송하는 역할을 한다. 버스는 각 장치를 연결하는 선의 집합이자 데이터가 지나다니는 통로이다. 메인보드는 CPU와 메모리 등 다양한 부품을 연결하는 커다란 판이다. 메인보드에는 가는 선, 즉 버스가 복잡하게 얽혀 있으며 전력이 공급되면 버스로 연결된 부품이 작동한다.
* 폰노이만 구조
오늘날의 컴퓨터는 폰노이만 구조를 따른다. 폰노이만 구조는 CPU, 메모리. 입출력장치, 저장장치가 버스로 연결되어 있는 구조를 말한다. 폰노이만 구조가 등장하기 전의 컴퓨터는 전선을 연결하여 회로를 구성하는 하드 와이어링 형태였기 때문에 다른 용도로 사용하려면 전선의 연결을 바꾸어야 했다. 이러한 문제를 해결하기 위해 미국의 수학자 존 폰노이만은 메모리를 이용하여 프로그래밍이 가능한 컴퓨터 구조, 즉 하드웨어는 그대로 둔 채 작업을 위한 프로그램만 교체하여 메모리에 올리는 방식을 제안했다. 폰노이만 구조에서 가장 중요한 특징은, '모든 프로그램은 메모리에 올라와야 실행할 수 있다.'는 것이다.
* 요리사 모형
모든 프로그램이 메모리로 올라와야 실행 가능한 폰노이만 구조를 요리사 모형에 빗대어 이해해보자. 요리사(CPU)가 요리를 하려면 보관 창고(저장장치)에 있는 재료를 도마(메모리)로 가져와야 한다. 주방에서는 도마(메모리)가 핵심 작업 공간이고 보관 창고(저장장치)는 보조적인 공간이다. 요리 방법을 결정하는 것은 여러 프로그램이 사용하는 메모리를 관리하는 것(메모리 관리)에, 보관 창고의 재료를 정리하는 것은 저장장치 내의 데이터를 관리하는 것(저장장치 관리)에 비유된다.
* 하드웨어 사양 관련 용어
1. 클록
클록(Clock)은 CPU의 속도와 관련된 단위이다. 다양한 악기로 조합된 오케스트라는 박자가 맞아야 제대로 곡을 연주할 수 있듯이 CPU도 작업을 할 때 일정한 박자가 있는데 이 박자를 만들어내는 것이 클록이다. 클록이 일정 간격으로 틱을 만들면 거기에 맞추어 CPU 안의 모든 구성 부품이 작업을 한다. 틱은 펄스(Pulse) 또는 클록틱(Clock tick)이라고도 부른다. 버스에는 여러 개의 부품이 연결되어 있는데, 메인보드의 클록이 틱을 보낼 때마다 데이터를 보내거나 받는다.
2. 헤르츠
헤르츠(Hz)는 클록틱이 발생하는 속도를 나타내는 단위이다. 1초에 클록틱이 몇 번 발생하는지를 나타내는데. 1초에 클록틱이 한 번이면 1Hz, 1000번이면 1kHz(1000Hz)이다. 예를 들어 3.4GHz는 1초에 클록틱이 3,400,000,000번 발생하여 CPU가 1초에 34억번의 연산(작업)을 할 수 있음을 의미한다. 버스도 클록틱에 맞추어 데이터를 전송하기 때문에 메인보드의 성능도 클록으로 표시한다.
3. 시스템 버스와 CPU 내부 버스
시스템 버스(System bus)는 메모리와 주변 장치를 연결하는 버스로 FSB(Front-Side-Bus), 즉 전면 버스라고 부른다. CPU 내부 버스는 CPU 내부에 있는 장치를 연결하는 버스로 BSB(Back-Side-Bus), 즉 후면 버스라고 한다. CPU 내부 버스의 속도는 CPU의 클록과 같아서 시스템 버스보다 훨씬 빠르다. CPU는 CPU 내부 버스의 속도로 작동하고 메모리는 시스템 버스의 속도로 작동하기 때문에 두 버스의 속도 차이로 인해 작업이 지연되는 문제가 존재한다.