컴퓨터 구조 개론

Architecture and Organization

흔히 컴퓨터를 설명할 때, 컴퓨터 구조(Computer architecture)와 컴퓨터 구성(Computer organization)을 구분하는 경우가 있습니다.

• Computer architecture: 개발자가 바라보는 특성에 관한 것으로, 프로그램의 논리적인 실행에 직접적인 영향을 주는 특성을 일컫는 말입니다. 흔히 ISA(Instruction Set Architecture)라고도 하는데, ISA는 명령어 형식, opcode, 레지스터, 명령 실행 결과가 레지스터와 메모리에 미치는 영향, 명령 실행을 제어하는 알고리즘 등을 정의합니다. 구조적 특성의 예시로는 instruction set, 다양한 데이터 타입을 표현하는 데 사용되는 비트 수, I/O 메커니즘, 메모리 addressing 방식 등이 있습니다.
• Computer organization: 컴퓨터 구조에서 정의한 특성들을 실제로 어떻게 “구현”할 것인가에 관한 것으로, 컨트롤 시그널, 컴퓨터와 주변 장치들(peripherals) 사이의 인터페이스, 메모리 기술 등 프로그래머에게는 보이지 않는 하드웨어 세부 사항들에 관한 내용입니다.

즉, 컴퓨터 구조는 논리적인 내용과 관련되어 있고, 컴퓨터 구성은 하드웨어적인 내용과 관련 있다고 할 수 있습니다. 예를 들어 곱셈 연산에 대해 생각해볼 때, 구조적인 관점에서는 “instruction set에 곱셈 명령을 포함할 것인지?”에 대해 관심을 가지고, 구성적인 관점에서는 곱셈 명령을 구현할 때 덧셈을 반복해서 곱셈을 구현할지, 혹은 전용 곱셈 장치로 구현할지에 관해 관심을 가집니다.

이를 표로 정리해보면 다음과 같습니다:

Computer Architecture	Computer Organization
컴퓨터가 무엇 (what)을 하는지에 대해 설명.	컴퓨터가 어떻게 (how) 하는지에 대해 설명.
컴퓨터 시스템의 기능 동작(functional behavior)에 대해 다룸.	컴퓨터 시스템의 구조적 관계(structural relationship)에 대해 다룸.
high-level 설계 이슈를 다룸.	low-level 설계 이슈를 다룸.

쉽게 말해, organization은 컴퓨터의 동작을 논리적으로 정의한 architecture를 구현한 것이라고 할 수 있는데, 이와 같이 논리적인 레벨을 다루는 architecture와, 하드웨어 레벨을 다루는 organization을 나눔으로써 architecture는 그대로 유지하되 시대에 따라 발전하는 하드웨어에 맞춰 이를 구현하는 organization을 변경하는 방식을 사용할 수 있습니다.

구조(Structure)와 기능(Function)

컴퓨터는 매우 복잡한 시스템이므로, 이를 제대로 이해하기 위해선 (다른 복잡한 시스템에도 존재하는) 계층적인 특성을 이해할 필요가 있습니다.

어떤 복잡한 시스템을 설계할 땐 계층적인 특성(hierarchical nature)이 반드시 포함됩니다. 이를 통해 시스템 설계자는 복잡한 시스템 전체가 아니라 특정 레벨의 계층만 다루면 되므로 시스템을 관리하기가 수월합니다.

각 계층은 여러 컴포넌트가 서로 의존하는 관계로 구성되는데, 각 계층의 동작은 바로 아래 계층의 단순화되고 추상화된 특성에 의존합니다.

시스템 설계자는 계층마다 아래의 두 가지를 고려해야 합니다:

• 기능(Function): 구조의 일부로서 개별 구성 요소의 동작을 의미합니다.
• 구조(Structure): 각 컴포넌트가 서로 연관된 방식을 의미합니다.

기능(Function)

컴퓨터의 기능과 구조는 사실 단순합니다. 일반적으로, 컴퓨터가 수행하는 기능을 크게 4가지로 분류할 수 있습니다:

• 데이터 처리(Data processing): 데이터의 형태가 무궁무진하고 이를 처리하는 방식도 다양하지만, 데이터를 처리하는 몇 가지 기본적인 방식만 살펴볼 예정입니다.
• 데이터 저장소(Data storage): 컴퓨터에는 어떤 연산을 실행하는 도중에 중간 결과물을 임시로 저장하는 저장소가 존재하고, 이러한 결과물을 장기적으로 저장하는 저장소 또한 존재합니다.
• 데이터 이동(Data movement): 컴퓨터의 동작 환경은 어떤 연산의 입력이 되는 장치와 이 연산의 결과물을 출력하는 장치들로 구성됩니다. 이처럼 컴퓨터와 직접 연결된 주변 장치(peripheral)로 부터 데이터를 가져오거나 주변 장치로 데이터를 내보내는 작업을 I/O(Input/Output) 작업이라고 합니다. 만약 주변 장치가 아니라 네트워크 등을 통해 멀리 떨어진 장치와 데이터를 주고 받는 경우, 이를 데이터 통신(data communication)이라고 합니다.
• 제어(Control): 컴퓨터 내의 제어 장치는 컴퓨터의 자원을 관리하고, 명령어에 따라 각 자원들의 동작을 조정합니다.

Structure

이제 일반적인 컴퓨터의 내부 구조를 살펴봅시다. 우선 싱글 프로세서부터 살펴보고 멀티코어로 넘어가겠습니다.

• CPU(Central Processing Unit): 컴퓨터의 동작을 제어(현재 상태값을 저장, 정보 해석)하고, 데이터를 처리하는 역할을 합니다. 간단히 프로세서(processor)라고도 부릅니다. CPU의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다:

  • 제어 장치(Control unit): CPU의 동작을 제어합니다.
  • 산술·논리 장치(Arithmetic Logic Unit, ALU): 말 그대로, 덧셈·뺄셈과 같은 산술 연산과 논리 연산(AND, OR, XOR, …)을 수행하는 장치입니다.
  • 레지스터(Register): CPU 내에 존재하는 임시 저장장치로, 크기가 작지만 매우 빠릅니다.
  • CPU interconnection: 제어 장치, ALU, 레지스터 간의 통신 메커니즘입니다.
• 주기억장치(Main memory): CPU가 접근하여 처리할 수 있는 기억 장치로, 데이터와 명령어가 저장됩니다. 흔히 RAM(Random Access Memory)라고 부릅니다.
• 입출력장치(I/O): 키보드, 마우스, 모니터 등 컴퓨터가 처리하기 위한 데이터를 읽고 그 결과물을 출력하는 장치들을 말합니다.
• System interconnection: CPU, 메인 메모리, I/O장치 간의 통신 메커니즘으로, (전선으로 구성된) 시스템 버스(system bus)가 대표적인 예시입니다.

현대 컴퓨터들의 특징 중 하나가 멀티 프로세서(즉, 멀티코어)이고, 또 다른 특징 중 하나는 캐시 메모리(cache memory)라고 하는 작고 빠른 메모리를 CPU와 메인 메모리 사이에 여러 개 두어 메모리 계층을 이룬다는 점입니다. 이 캐시 메모리에는 가까운 미래에 사용될 가능성이 높은 데이터들을 저장함으로써 컴퓨터 성능 향상을 꾀하는데, 이때 캐시 메모리가 CPU에 가까울수록 빠르고 용량이 작고, 멀수록 느리고 용량이 큽니다.

위 그림에서 볼 수 있듯이, 임베디드 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿 등을 포함한 대부분의 컴퓨터 장치들은 마더보드(Motherboard)에 들어있습니다. 이러한 구성을 살펴보기 전에 몇 가지 용어를 살펴보겠습니다:

• 인쇄 회로 기판(Printed circuit board, PCB): 집적 회로, 스위치 등의 전기적 부품들이 납땜 되는 얇은 판으로, 흔히 생각하는 초록색 판입니다.
• 마더보드(Motherboard): 컴퓨터에 있는 PCB들 중에서 메인 PCB를 가리킵니다.
• 확장 보드(expansion board): 컴퓨터 시스템에 기능을 추가할 목적으로 확장 슬롯에 꽂는 PCB를 가리킵니다.
• Chip: 주로 실리콘으로 만들어져 전자 회로와 논리 게이트들이 집적되는 반도체로, 이 결과물을 집적 회로(Integrated Circuit, IC)라고 합니다.

마더보드는 프로세서를 위한 슬롯(혹은 소켓), 메모리를 위한 슬롯, I/O 컨트롤러 칩, 그리고 다른 주요 컴퓨터 하드웨어 요소들로 이루어져 있습니다.

레퍼런스

• Computer Organization and Architecture 10th Edition