컴퓨터의 기본 구조와 데이터 처리 방식 이해하기

1. 컴퓨터란 무엇인가?

컴퓨터는 우리가 데이터를 처리하고 계산하는 데 도움을 주는 기계입니다. 컴퓨터의 기본적인 정의는 전자회로를 이용한 고속 자동 계산기입니다. 즉, 다양한 프로그램을 실행해 명령어의 순서에 따라 데이터를 처리하는 장치입니다.

컴퓨터는 크게 세 가지 구성요소로 나눌 수 있습니다: 하드웨어, 소프트웨어, 그리고 데이터입니다. 하드웨어는 물리적인 장치들, 소프트웨어는 하드웨어를 제어하는 프로그램, 데이터는 컴퓨터가 처리하는 정보입니다

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2. 컴퓨터의 구성 요소

• 컴퓨터 시스템의 기능적 구성 요소 
  • 하드웨어: 물리적인 장치(입력장치, 출력장치, CPU 등)
  • 소프트웨어: 하드웨어가 동작하도록 지시하는 프로그램과 명령어
  • 데이터: 컴퓨터가 처리하는 정보나 입력 값
• 컴퓨터의 하드웨어 구성 요소
  • 입력장치(Input Device)
    키보드, 마우스와 같은 장치로 사용자가 컴퓨터에 데이터를 입력할 수 있게 해줍니다. 입력된 데이터는 컴퓨터 내부로 전달되어 처리됩니다.
  • 중앙 처리 장치(CPU; Central Processing Unit)
    컴퓨터의 두뇌 역할을 합니다. 데이터를 처리하고, 명령을 실행하며, 프로그램의 연산 작업을 수행합니다. 
    CPU는 연산장치(ALU), 제어장치, 레지스터로 구성되어 있습니다.
  • 기억 장치(Memory)
    데이터를 저장하는 장치입니다. 주기억 장치(메인 메모리, RAM)는 CPU가 즉시 접근하여 데이터를 처리하는 메모리이며, 보조기억 장치(하드 디스크, SSD)는 데이터를 영구적으로 저장하는 역할을 합니다. 
  • 출력장치(Output Device)
    모니터, 프린터와 같은 장치로, 처리된 결과를 사용자에게 보여줍니다.

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3. 컴퓨터 데이터 처리의 기본 개념

컴퓨터는 데이터를 처리할 때 비트(bit) 단위로 작동합니다. 비트는 0과 1 두 가지 값만 가질 수 있는, 가장 작은 데이터 단위입니다.

여러 비트가 모이면  바이트(byte)를 형성하고, 이것으로 더 많은 정보를 저장하고 표현할 수 있습니다.
예를 들어, 8비트는 하나의 문자를 저장할 수 있는 1바이트가 됩니다.

또한, 컴퓨터는 데이터를 처리할 때 이진법(2진수)을 사용합니다.

우리가 10진수로 숫자를 입력하면 컴퓨터는 이를 2진수로 변환하여 처리하고, 처리 후에는 다시 10진수로 변환하여 보여줍니다.

• 비트(Bit; Binary Digit): 컴퓨터가 데이터를 표현하는 가장 작은 단위로, 0 또는 1의 값만 가질 수 있습니다.
• 바이트(Byte): 8개의 비트가 모여 1바이트를 형성합니다. 1바이트는 하나의 문자나 더 복잡한 데이터를 표현할 수 있는 단위입니다.
• 버스(Bus): 컴퓨터 내부에서 데이터를 전달하는 통로입니다. CPU, 메모리, 입출력 장치 등 다양한 하드웨어 컴포넌트가 상호작용할 수 있도록 데이터를 주고받는 역할을 합니다. 버스는 병렬 통신을 기반으로 설계되며, 시스템의 성능과 처리 속도에 큰 영향을 미칩니다.
  
  • 제어 버스: 데이터가 어떻게 처리될지에 대한 제어 신호를 전달합니다. 
    예를 들어 읽기와 쓰기 신호, 장치 활성화 신호 등이 포함됩니다.
  • 주소 버스: 메모리나 장치의 위치(주소)를 전달합니다. CPU가 데이터를 읽거나 쓰기 위해 특정 메모리 주소를 지정할 때 사용됩니다.
  • 데이터 버스: 데이터를 전송하는 통로입니다. CPU와 메모리 간의 데이터 이동등에 사용됩니다. 

병렬 통신(Parallel Communication)
여러 비트의 데이터를 동시에 전송하는 통신방식. 
즉, 데이터를 여러 비트 단위로 동시에 전송할 수 있는 여러 개의 통로(회선)를 사용하여 데이터의 각 비트를 한꺼번에 보내는 방식

• 워드(Word): 컴퓨터가 한 번에 처리할 수 있는 데이터의 크기를 말합니다. 즉, CPU가 한 사이클에 처리할 수 있는 데이터의 비트 수 입니다. 
  • 워드의 크기는 시스템 아키텍처에 따라 다르며 보통 16비트, 32비트, 64비트 등이 있습니다. 
    예를 들어, 64비트 워드 크기를 가진 시스템에서는 CPU가 한 번에 64비트의 데이터를 처리할 수 있습니다. 
  • 워드 크기는 CPU의 레지스터 크기, 주소 공간, 데이터 처리 능력과 관련이 있어 시스템의 성능과 처리 능력에 중요한 역할을 합니다. 

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4. 컴퓨터의 작동 예시

컴퓨터가 데이터를 처리하는 과정을 예로 들어보겠습니다. 키보드에서 문자 'A'를 입력하면, 이 입력은 2진수로 변환됩니다(01000001). CPU는 이 2진 데이터를 처리한 후, 모니터를 통해 다시 'A'라는 결과를 보여줍니다. 이 모든 과정은 매우 빠르게 이루어집니다.

 

컴퓨터에서 CPU가 데이터를 처리하는 과정

• 명령어 인출(Fetch): CPU는 메모리에서 명령어를 가져옵니다.
• 명령어 해독(Decode): 가져온 명령어를 해석하여 어떤 작업을 수행해야 하는지 알아냅니다.
• 명령어 실행(Execute): 해석한 명령어에 따라 데이터를 처리합니다.
• 결과 저장(Store): 처리된 결과를 메모리에 저장하거나 출력 장치로 보냅니다.

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5. CPU와 버스의 역할

CPU는 메모리에서 데이터를 가져와 계산하고 그 결과를 다시 메모리에 저장합니다. 이때  버스(bus)라는 고속 통신선을 통해 데이터를 주고받습니다. CPU가 데이터를 처리할 때 한번에 처리할 수 있는 데이터의 크기를 워드(word)라고 하며, 32비트 또는 64비트로 나뉩니다.

• 워드(Word): CPU가 한 번에 처리할 수 있는 데이터의 크기를 의미합니다. 워드는 CPU의 성능에 따라 16비트, 32비트, 64비트 등으로 나뉩니다.
• 32비트와 64비트 CPU의 차이점:
  • 32비트 CPU는 한 번에 32비트 크기의 데이터를 처리할 수 있고, 메모리 주소공간이 최대 4GB입니다.
  • 64비트 CPU는 64비트 크기의 데이터를 처리할 수 있으며, 훨씬 더 큰 메모리 주소공간을 지원해 더 많은 데이터를 한 번에 처리하고, 더 많은 메모리를 사용할 수 있습니다.

따라서 64비트 CPU는 더 빠른 처리 성능과 대용량 메모리 사용이 가능하다는 장점이 있습니다.

 

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6. 진수의 변환

컴퓨터는 0과 1로 구성된 이진 시스템을 사용하므로 우리가 사용하는 10진수 데이터를 컴퓨터가 처리할 수 있도록 2진수로 변환해야 합니다. 반대로, 컴퓨터가 처리한 2진수 데이터를 우리에게 보여줄 때는 다시 10진수로 변환합니다.

• 10진수를 2진수로 변환하는 방법
  • 10진수를 2로 나눈다.
  • 나머지를 기록한다. (이 나머지가 2진수의 한 자리 수가 된다.)
  • 몫이 0이 될 때까지 계속해서 몫을 2로 나누고, 나머지를 기록한다.
  • 마지막에 기록된 나머지들을 역순으로 배열한다. 

10진수 25를 2진수로 변환

1. 25 ÷ 2 = 12, 나머지 1
2. 12 ÷ 2 = 6, 나머지 0
3. 6 ÷ 2 = 3, 나머지 0
4. 3 ÷ 2 = 1, 나머지 1
5. 1 ÷ 2 = 0, 나머지 1

나머지들을 역순으로 배열하면 11001이므로, 25의 2진수 표현은 11001 이다.

• 2진수를 10진수로 변환하는 방법
  • 2진수의 각 자리 숫자에 해당하는 자리 값을 2의 제곱으로 계산한다.
  • 각 자리의 숫자와 그 자리 값(2의 제곱 값)을 곱한다.
  • 결과를 모두 더하여 10진수로 변환한다.

2진수 11001을 10진수로 변환

1. 첫 번째 자리: 1 × 242^424 = 1 × 16 = 16
2. 두 번째 자리: 1 × 232^323 = 1 × 8 = 8
3. 세 번째 자리: 0 × 222^222 = 0 × 4 = 0
4. 네 번째 자리: 0 × 212^121 = 0 × 2 = 0
5. 다섯 번째 자리: 1 × 202^020 = 1 × 1 = 1

각 값을 더하면 16+8+0+0+1 = 25 이므로, 2진수 11001은 10진수로 25 이다.