[CS] CPU, 주기억장치(ROM, RAM(SRAM, DRAM), 보조기억장치(HDD, SDD)

중앙 처리 장치 (Central Processing Unit, CPU)

• 컴퓨터의 중앙에서 모든 데이터의 처리를 담당하는 장치, 컴퓨터의 두뇌
• 컴퓨터의 속도는 CPU 의 성능이 가장 큰 영향을 미친다. 컴퓨터는 사용자의 명령을 입력받으면, CPU 가 이 명령을 해석하고, 처리(연산) 해서 출력 장치에서 결과를 출력하도록 한다.
  
  • 이렇게 하나의 부품에 해독, 연산, 제어 등 여러 가지 기능이 집약되어 있기 때문에 CPU 를 "마이크로프로세서"라고 부르기도 한다.
• 프로그램의 명령을 수행하여 다양한 *입력 장치로부터 데이터를 받아서 *기억장치와 연계하여 처리한 후 *출력 장치로 보내는 모든 과정을 제어하고 연산하는 장치
  • 입력 장치 : 컴퓨터 등 시스템의 외부에서 데이터와 명령을 시스템으로 입력하는 장치로, 문자, 소리, 이미지 등의 데이터를 중앙 처리 장치가 처리할 수 있도록 *디지털 신호로 변환하여 주기억장치에 전달한다.
    • 디지털 신호 : 전기적인 2가지 상태로만 표현되는 신호로, 2가지 상태는 컴퓨터가 인식하는 0 또는 1의 2진수에 대응된다.
  • 기억 장치 : 컴퓨터에서 사용하는 프로그램과 처리할 데이터 및 처리한 결과 등을 저장하는 장치
  • 출력 장치 : 컴퓨터 내부에서 처리된 결과를 사람 또는 기계가 인식할 수 있는 문자, 소리, 그림 등 다양한 형태로 표현해주는 장치
• *산술 논리 연산 장치, *제어 장치와 *레지스터로 구성된다.
  • 산술 논리 연산 장치(Arithmetic and Logic Unit, ALU) : 데이터를 처리하고 계산하는 장치로, 산술 연산과 논리 연산을 수행하는 회로의 집합이다.
  • 제어 장치 : 데이터의 연산을 차례대로 실행하기 위해 기억장치, 연산장치, 입출력 장치에 제어 신호를 보내고, 이를 장치로부터 신호를 받아 다음에 처리해야 할 작업들을 제어하는 장치
  • 레지스터 : 산술적/논리적 연산이나 정보 해석, 전송 등을 할 수 있는 일정 길이의 정보를 저장하는 중앙 처리 장치 내의 고속의 기억 장치

 

주기억장치 (Computer Memory, Primary Memory)

• 컴퓨터 내부에서 현재 CPU 가 처리하고 있는 내용이 가져와지는 곳
• 즉, 컴퓨터 내부에서 현재 CPU 가 처리하고 있는 내용을 저장하고 있는 기억장치
• 비교적 용량이 크고 처리 속도가 빠르다.
• CPU 의 명령에 의해 기억된 장소에 직접 접근하여 읽고 쓸 수 있다.
• 대표적인 주기억장치는 ROM 과 RAM 으로 나뉜다.

 

ROM (Read Only Memory)

• 오직 기억된 데이터를 읽기만 가능한 장치
• 제조 단계에서 시스템에 기억시키고 변화시키면 안 되는 BIOS 와 같은 데이터가 이 장치에 저장된다.
• 비휘발성 장치로, 장치에 존재하는 데이터는 컴퓨터의 전원이 꺼져도 사라지지 않고 그대로 유지된다.
  
• 데이터를 한번 저장하면 수정할 수 없지만, PROM(1번 다시 쓰기 가능), EPROM(무한), EEPROM(무한)과 같은 특수한 방법을 통해 데이터를 삭제한 후 다시 쓸 수 있다.

 

RAM (Random Access Memory)

• ROM 과 달리 기억된 데이터를 읽을 수도 있고, 다른 데이터를 기억시킬 수도 있는 메모리
• 어떤 메모리 주소에 접근(random access)하더라도 동일한 시간의 읽고 쓰기가 보장되기에 random access memory 라고 한다. 하드디스크와 같은 자기 디스크의 경우 데이터가 저장된 주소에 따라 접근하는 시간이 다르다.
• 응용 프로그램, 운영체제 등을 불러와 CPU 가 작업할 수 있도록 하는 공간
• 휘발성 장치로, 전원이 꺼지면 가지고 있던 데이터가 전부 사라진다. 따라서 실행하고 있는 파일을 보조기억장치에 수시로 저장해야 한다.
  • 특정 프로그램을 실행하면, 컴퓨터는 보조기억장치에 저장된 데이터를 주기억장치로 불러와 CPU 가 해당 데이터를 처리하는 과정으로 실행된다.
• 고속의 처리 장치인 CPU 와 주기억장치 사이의 속도 차이를 완화시키기 위해, CPU 와 주기억장치 사이에 존재하는 고속 버퍼(임시) 메모리인 Cache Memory 를 사용한다.
  
• 반도체 회로에 전하를 저장하여 1 과 0 신호를 저장하는 장치로 cell 에 전자가 쌓여 특정 전압을 달성하면 신호 1을, 전자들이 없으면 신호 0을 출력한다. 따라서 전력이 제공되지 않으면 저장된 데이터를 잃는다.

 

SRAM (Static RAM)

• 플리플롭(Flip-flop, F/F)으로 작동하는 방식
• 플리플롭은 전류 신호가 입력되기 전까지 상태가 변하지 않는 소자이기 때문에, SRAM 은 아무런 작동이 없을 때도 내용이 소멸하거나 변화하지 않는 안정적인 메모리이다.
  • 참고로 RAM 은 휘발성 메모리로, 영구적이지 않다. 전원이 꺼지면 모든 데이터가 사라진다.
• 메모리만 기억하고 있으면 되기 때문에 속도가 빨라, Cache Memory 로 사용된다.
• 용량이 매우 작기 때문에 대용량 데이터를 저장하는 용도로는 적합하지 않다.
• 임베디드 시스템에서는 메모리 크기가 제한된 환경에서 데이터, 변수, 스택을 저장하는 용도로 사용된다.
• 가격이 비싸다.

 

DRAM (Dynamic RAM)

• *축전기로 작동하는 방식으로, 시간이 지나면 스스로 방전이 된다.
  • 축전기(커패시터, Capacitor, CAP) : 전하의 저장 여부에 따라 데이터를 0과 1로 저장하는 메모리 소자
• 즉, 시간이 흐름에 따라 자연적으로 메모리가 변화한다.
• 물론 CPU 나 프로그램 사용자 입장에서는 메모리가 변화하는 것은 매우 불쾌한 상황이기 때문에, 일정 시간 간격으로 계속해서 충전을 해주어야 한다. 그래서 DRAM 에는 Refresh 회로가 추가로 달려있고, 주기적으로 Refresh 신호를 보내 메모리 데이터를 유지한다.
• 축전기의 충방전을 계속해서 신경 써야 하기 때문에 상대적으로 속도가 느릴 수 밖에 없다.

 

보조 기억 장치 (Auxiliary Memory, Secondary Memory)

• 주기억장치보다는 느리지만 많은 양의 데이터를 전원이 꺼져도 사라지지 않고 영구적으로 보관할 수 있는 장치
• 컴퓨터의 데이터를 저장하는 창고라고 불리며, 외부의 데이터를 이곳에 저장한다.
• 대표적인 보조기억장치는 HHD 와 SSD 가 있다.

 

HDD (Hard Disk Driver)

• 자기 디스크를 사용하여 데이터를 저장하는 장치
• 데이터는 회전하는 디스크 표면(플래터)에 자기적으로 기록되며, 읽기/쓰기 헤드가 디스크 위를 움직이며 데이터에 접근한다. 이러한 구조 때문에 하드디스크는 물리적인 움직임에 의존하며, 이는 데이터 접근 속도에 영향을 미친다. 즉, 하드디스크의 데이터 접근 속도는 디스크의 회전 속도와 헤드의 움직임 속도에 의해 결정된다.
• 하드디스크는 SSD 에 비해 상대적으로 느린 데이터 접근 속도를 가진다.
• 대용량 데이터를 비교적 저렴한 가격에 저장할 수 있기 때문에 대용량의 영상, 사진, 백업 파일 등을 저장하는 데 주로 사용된다.
• 물리적인 움직임에 의존하기 때문에 충격에 취약하며, 소음과 발열이 발생할 수 있다. 또한, 전력 소모량이 SSD 에 비해 높은 편이다.

 

HDD 구조

• 스핀들 (Spindle) : 플래터를 회전시키는 역할을 한다.
• 암 (Arm) : 헤드가 원하는 곳을 읽을 수 있도록 이동시켜 주는 역할을 한다.
• 헤드 (Head) : 암 끝에 달려있는 장치로 플래터에 데이터를 읽거나 쓰는 역할을 한다.
• 플래터 (Platter) : 데이터가 저장되는 곳으로 디스크를 의미한다. 플래터 여러 개가 겹쳐져 있는 구조를 가진다.

 

플래터의 구체적인 단위

• 섹터 (Setcor) : 트랙을 구성하는 최소 단위 = 가장 작은 저장 단위 (보통 512 byte)
• 트랙 (Track) : 섹터로 구성되며 섹터가 쭉 나열되어 있는 것
• 실린더 (Cylinder) : 같은 위치에 존재하는 트랙들의 모음 (논리적 단위)
• 클러스터 (Cluster) : 연속된 섹터의 모음 (논리적 단위), 파일에 할당하는 최소 단위, FAT(File Allocation Table)로 관리

 

HDD 데이터 접근 과정

1. 요청한 데이터의 주소를 포함하는 트랙으로 헤드가 이동한다.
2. 헤드가 목표 트랙에 도착하면, 해당 트랙에서 읽을 준비를 한다.
3. 헤드는 해당 트랙의 LBA(Logical Block Addressing)를 읽으면서, 요청한 데이터가 저장된 섹터가 디스크의 회전으로 헤드 아래로 도착할 때까지 기다린다.

 

SSD (Solid State Driver)

http://www.buysemi.co.kr/bs/?r=bs&m=bbs&bid=zi_bs004&uid=629

• 반도체 메모리를 사용하여 데이터를 저장하는 장치
• 데이터는 NAND 플래시 메모리 셀에 전기적으로 기록되며, 이를 통해 빠르게 읽고 쓸 수 있다.
• 물리적인 움직임이 없기 때문에, 하드디스크에 비해 빠른 데이터 접근 속도를 제공하여 데이터 접근 시간이 매우 짧다. 따라서, 운영체제나 애플리케이션의 로딩 시간을 크게 단축시킬 수 있다.
• 빠른 데이터 접근 속도뿐만 아니라, 충격에 강하고, 소음과 발열이 적으며, 전력 소모량이 낮다.
• 시스템의 부팅 속도와 프로그램 실행 속도를 향상시키는 데 적합하며, 빠른 데이터 접근 속도가 필요한 운영체제나 응용 프로그램의 설치에 주로 사용된다.
• 하드디스크에 비해 가격이 높은 편이며, 같은 가격대에서는 상대적으로 낮은 저장 용량을 제공한다.
• 쓰기 횟수에는 한계가 있어, 과도한 쓰기 작업이 이루어지는 환경에서는 수명이 단축될 수 있다.

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CPU와 주기억장치, 보조기억장치

TTA정보통신용어사전

Random-access memory - Wikipedia

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