컴퓨터의 처리장치

 

 

컴퓨터의 핵심은 처리 장치이다. 데이터 처리는 컴퓨터 시스템의 핵심이다. 처리장치는 크게 중앙처리장치와 주기억장치로, 중앙처리장치는 다시 제어장치와 산술논리연산장치로 구성되어 있다. 이하에서는 각각을 구체적으로 살펴볼 것이다.

중앙 처리 장치는 컴퓨터 시스템을 통제하고 프로그램의 연산을 실행 · 처리한다. 외부 입력 장치로부터 정보를 입력받고, 기억한 후에 그 정보를 처리하라는 컴퓨터 프로그램의 명령어를 해석하여 연산(처리)하고 마지막으로 외부로 출력하여 사용자에게 제공하는 것이 중앙 처리 장치의 역할이다. 이를 짧게 요약하면 중앙처리장치는 기계어로 쓰인 컴퓨터 프로그램의 명령어를 해석하여 실행하는 역할을 담당한다. 통상 컴퓨터 과학자들은 컴퓨터를 두뇌로 표현하는데, 이는 컴퓨터의 모든 처리 과정이 중앙 처리 장치의 제어를 받기 때문이다. 

중앙 처리장치의 기본 구성으로는 CPU에서 처리할 명령어를 저장하는 역할을 하는 프로세서 레지스터와 위에서 이미 언급한 바와 같이 비교, 판단, 연산을 담당하는 산술논리연산장치, 명령어의 해석 및 실행을 위하여 중앙 처리 장치를 제어하는 제어장치와 내부 버스 등이 있다.

사실 이 중에서 가장 중요한 것은 산술논리연산장치이다. 산술 논리 연산 장치는 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱, 논리합 같은 논리연산을 계산하는 디지털 회로로 처리 과정의 핵심을 담당한다. 사실 우리는 디지털논리회로의 설계를 통해서 어떠한 연산도 가능한 만능 산술논리장치를 설계할 수 있다. 하지만 연산이 더 복잡해질수록 회로 복잡도와 가격이 올라가고, 더 많은 전력을 소모한다는 단점이 있다. 따라서 복잡한 연산은 간단한 산술 논리연산의 조합으로 나누어 처리하거나, 또 다른 외부 처리 디지털 논리회로를 사용하는 것이 대부분의 경우 경제적이라고 할 수 있다. 

이제부터는 중앙 처리 장치의 구동 방식에 대해 살펴본다. 사실 모든 중앙 처리 장치는 메모리에 저장된 명령어들을 순서대로 불러와서 실행하며, 이 동작을 수행하기 위해서는 꺼내고, 해독하고, 실행해야 한다. 마지막 단계에서 명령어를 실행하고 난 이후에는 다시 명령 주기가 반복되며, 이미 기존 주소에서 1이 증가한 프로그램 카운터의 변화된 위치에서 실행될 명령어를 불러와서 처리한다. 

먼저 첫 번째 단계는 인출이다. 이는 프로그램의 메모리에서 명령어를 불러오는 것을 의미하며, 저장된 주소에 가서 찾아와야 한다. 두 번째는 해독 또는 디코드로, 인출 단계에서 가져온 명령어를 해독하는 것이다. 해독을 통해 중앙 처리 장치는 제공된 명령어 내의 정보를 확인하고, 중앙 처리 장치 내의 구성 장치로 제어신호를 보내 연산, 처리에 대해 준비한다.. 그다음으로는 본격적인 실행 단계가 있다. 간단히 말하면 실제로 연산하는 것을 의미한다. 만일 연산 결과가 다음 단계에 사용되지 않는다면, 즉 연산이 종료된다면 그 결과를 메모리에 저장한다. 하지만 만일 계산 결과가 다음 명령어의 입력어로 사용된다면 레지스터에 다시 쓰게 된다.

그다음으로는 주기억장치에 대해 알아본다. 먼저 주기억장치의 발달 과정을 보면, 주기억장치는 최초에는 진공관을 이용해 만들어졌으나, 1950년대 이후에는 자기코어 기억장치가 개발되었고, 현재는 반도체 기억장치가 주기억장치로 사용되고 있다.  

최근 사용되고 있는 반도체 기억장치에 대해 추가적인 설명을 해보자면, 반도체 기억장치 내에 저장된 데이터에 대한 접근 속도는 나노초로 측정될 만큼 속도가 매우 빠르지만, 반도체 기억장치로 계속하여 일정한 전류의 공급이 필요하다는 단점을 가지고 있다. 참고로 기존 자기코어 기억장치는 전류가 끊어져도 데이터가 유지된다는 점과 비교해 볼 때 이는 엄청난 단점이다.

반도체 기억장치의 유형은 여러 종류가 있는데, 대체로 RAM이 널리 사용된다. RAM은 데이터를 메모리 안으로 읽히게 하고 쓰이게 하는 역할을 하며, 전원이 공급되는 한 내용이 그대로 유지되는 SRAM과 전원이 공급되더라도 데이터의 소멸을 방지하기 위해 계속하여 확인이 필요한 DRAM이 있다. 참고로 SRAM은 접근속도가 아주 빠른 캐시 메모리로, DRAM은 현재 컴퓨터의 주기억장치로 사용되고 있다. 그 외에도 ROM이 있는데, ROM에 기록된 데이터는 읽을 수만 있고 그 내용은 삭제할 수 없다. 그 외에도 PROM이라는 저장장치도 있는데, ROM과 달리 PROM은 제작하는 과정에서 데이터를 그 안에 기록하지 않고 이용자가 직접 프로그램이나 데이터를 기록할 수 있게 한다는 장점이 있다. 그 외에도 최근 많이 사용되는 기억장치로는 플래시 메모리가 있다. 최종 사용자, 즉 우리가 언제든지 기억 장치에 들어있는 데이터를 읽고, 쓰고, 지우고, 변경할 수 있도록 만든 메모리의 한 형태로 전력이 필요 없는 비휘발성 메모리라는 장점을 가지고 있다. 기존에는 가격이 매우 높게 형성되어 접근성이 낮았지만, 최근에는 값도 싸고 휴대전화, 디지털카메라 등에 다양하게 사용되고 있다. 

 주기억장치에 데이터를 저장하는 기본 단위는 바이너리 디짓, 즉 비트이다. 데이터는 주기억 장치 안에서 0과 1이 나열되는 형태로 저장이 된다. 수치정보는 2진수로 표현되며, 컴퓨터 시스템에 따라 16비트, 32비트, 64비트 등 고정된 비트의 수를 사용한다. 참고로 문자 정보를 표현하는 코드의 종류는 여러 가지가 있지만, 대부분 아스키코드(ASCII)와 유니코드(UNICODE)가 사용되고 있다. 주기억장치에서 사용되는 기억용량의 단위는 byte, KB, MB, GB, TB, PB 등이 있다. 

 

 

출처: 픽사베이