🖥️ [컴퓨터구조와 운영체제] 컴퓨터 부품, 데이터, 명령어

✨ 딥러닝 모델을 다루게 되면서 CPU, GPU, 메모리 등에 대한 사양을 중요하게 보게 됩니다. 그렇다면 이 컴퓨터 사양들이 무조건 높으면 좋을까요? 왜 좋을까요? 멀티프로세스와 멀티스레드는 정확히 어떤 차이가 있을까요? 컴퓨터 구조와 운영체제를 공부하게 된다면 문제 상황을 빠르게 진단할 수 있고 문제해결의 실마리를 다양하게 찾을 수 있습니다. 결국 컴퓨터 안에서 프로그램이 실행되기 때문입니다. 파이썬을 주로 사용하게 되면서 접하는 에러들을 보며 컴퓨터에 대해 더 공부하면 좋겠다는 생각에 혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제 책을 읽으며 주요한 내용들을 정리하였습니다. 책의 제목대로 혼자서 공부할 수 있게 쉽게 설명해주어 정말 재밌게 읽었던 책입니다. 이번 글에서는 컴퓨터 구조 파트를 다루겠습니다.

컴퓨터의 부품들

컴퓨터의 핵심 부품들은 메인보드(=마더보드) 판에 연결되어 있음. 메인보드에 연결된 부품들은 버스라는 통로로 정보를 주고받음.

1. 메모리: 현재 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장하는 부품
   • 컴퓨터가 꺼지면 메모리에 있는 데이터는 삭제됨
   • 저장된 값에 빠르고 효율적으로 접근하기 위해 주소라는 개념으로 원하는 위치에 접근할 수 있음

     메모리
     1번지	3번지와 4번지를 더하라
     2번지	연산 결과를 저장하라
     3번지	120
     	140

2. CPU: 메모리에 저장된 명령어를 읽어 들이고, 해석하고, 실행하는 부품
   • CPU 내부에는 ALU(산술논리연산장치), 제어장치, 레지스터 등으로 구성되어 있음
   • ALU: 계산기(특정 숫자나 문자를 내보냄)
   • 제어장치: 제어 신호라는 전기 신호를 내보내고 명령어를 해석함
   • 레지스터: CPU 내부의 작은 임시 저장 장치
3. 보조기억장치: 전원이 꺼져도 보관할 프로그램을 저장하는 부품
4. 입출력장치: 컴퓨터 외부에 연결되어 컴퓨터 내부와 정보를 교환할 수 있는 부품
   • 마우스, 프린터, 하드디스크 등이 있음
5. 시스템 버스: 4개의 핵심 부품을 연결하는 버스
   • 주소 버스, 데이터 버스, 제어 버스로 구성되어 있음

데이터

컴퓨터는 0 또는 1밖에 이애하지 못함. 0과 1을 나타내는 가장 작은 정보 단위를 비트라고 함. 우리가 실행하는 모든 프로그램은 0과 1로 이루어져 있음! 비트는 굉장히 작은 단위이기 때문에 바이트, 킬로바이트, 메가바이트 기가바이트, 테라바이트를 사용함.

1바이트	8비트
1킬로바이트	1,000바이트
1메가바이트	1,000킬로바이트
1기가바이트	1,000메가바이트
1테라바이트	1,000기가바이트

컴퓨터가 이해할 수 있는 음수 표현은? 2의 보수를 구하며 양수인지 음수인지 플래그를 사용함

• 2의 보수: 어떤 수를 그보다 큰 \(2^n\)에서 뺀 값
• \(11_{(2)}\)의 2의 보수는 \(11_{(2)}\)보다 큰 \(100_{(2)}\)에서 뺀 \(01_{(2)}\)[컴퓨터구조와 운영체제] 컴퓨터 부품, 데이터, 명령어

데이터를 표현할 때 이진법은 숫자의 길이가 너무 길어져 십육진법도 자주 사용됨

• 0~9 이후의 숫자는 알파벳 A, B, C, D, E, F로 표기함

아스키 코드: 7비트로 영어 알파벳, 아라비아 숫자, 특수 문자를 표현함

→ 아스키 코드는 한글과 같은 아스키 문자 집합 외의 문자, 특수문자는 표현할 수 없음

EUC-KR: 초성, 중성, 종성의 조합으로 이루어진 완성된 하나의 글자에 고유한 코드를 부여하는 인코딩 방식

• 가: 1, 나: 2, 다: 3, …
• 단점: 믜와 같은 문자 집합에 정의되지 않은 글자는 표현할 수 없음
• CP949: EUC-KR의 확장된 버전

유니코드: EUC-KR과 같이 각 문자마다 고유한 값이 부여됨. 단, 글자에 부여된 값 자체를 인코딩된 값으로 삼지 않고 이 값을 다양한 방법으로 인코딩함

• UTF-8, UTF-16, UTF-32 등이 있음

명령어

• 기계어: 0과 1의 명령어 비트로 이루어진 언어
• 어셈블리어(=저급언어): 기계어를 읽기 편한 형태로 번역한 언어
• 기계어 어셈블리어 0101 0101 -> push rbp 0101 1101 -> pop rbp
• 고급언어: 사람이 읽고 쓰기 편한 언어. 저급 언어로 변환되어 실행됨
  • 고급언어를 저급언어로 변환되는 방법은 컴파일 방식과 인터프리트 방식이 있음
• 컴파일 언어: 코드 전체가 저급 언어로 변환되어 실행되는 고급 언어(C)
  • 컴파일: 코드 전체가 저급 언어로 변환되는 과정
  • 컴파일러: 컴파일을 수행해 주는 도구
  • 컴파일러가 소스 코드 내에서 오류를 하나라도 발견하면 해당 소스 코드는 컴파일에 실패함
• 인터프리터 언어: 인터프리터에 의해 소스 코드가 한 줄씩 실행되는 고급 언어(Python)
  • 인터프리터: 소스 코드를 한 줄씩 저급 언어로 변환하여 실행해 주는 도구
• 명령어의 구성요소: 연산 코드와 오퍼랜드
  • 연산 코드: 명령어가 수행할 연산, 아래 테이블에서 색칠된 부분
  • 오퍼랜드: 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치, 주소 필드라고 부르기도 함
  연산 코드 오퍼랜드

  push rbp
  mov rbp, rsp
  

• 주소 지정 방식: 오퍼랜드 필드에 데이터가 저장된 위치를 명시할 때 연산에 사용할 데이터 위치를 찾는 방법
  • 데이터는 메모리에 저장되어 있으며 메모리 주소를 명시한다면 표현할 수 있는 데이터의 크기가 작아지기 때문에 해결하기 위해 다양한 지정 방식이 있음
  • 즉시 주소 지정 방식: 연산에 사용할 데이터를 직접 명시하는 방식. 표현할 수 있는 데이터의 크기가 작아짐
  • 직접 주소 지정 방식: 유효 주소를 직접적으로 명시하는 방식
    • 유효 주소: 연산 코드에 사용할 데이터가 저장된 위치
  • 간접 주소 지정 방식: 유효 주소의 주소를 오퍼랜드 필드에 명시하는 방식. 두번의 메모리 접근이 필요하기 때문에 위의 두 방식보다 느림
  • 레지스터 주소 지정 방식: 연산에 사용할 데이터를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시하는 방식, 레지스터에 접근하기 때문에 속도를 빠르지만 레지스터 크기에 제한이 생길 수 있음
  • 레지스터 간접 주소 지정 방식: 연산에 사용할 데이터를 메모리에 저장하고, 그 주소(유효 주소)를 저장할 레지스터를 오퍼랜드 필드에 명시하는 방식, 메모리에 접근하는 횟수는 한 번, 레지스터에 접근하기 때문에 간접 주소 지정 방식보다 빠름

마치며

파이썬의 저급 언어 변환 방식과 컴퓨터의 주요 구성 요소를 자세하게 알 수 있었습니다. computer vision 분야에서 ffmpeg를 자주 사용하는데요. ffmpeg가 C와 어셈블리어로 되어 있다는 것을 새롭게 알 수 있었습니다. 공부를 하면서 단순히 외우는 것이 아닌 이해하면서 읽게 되니 그동안 몰랐음에도 사용했던 언어들이 이해가는 시간이였습니다. 긴 글 읽어주셔서 감사합니다!🐥