컴퓨터 시스템 개요
1. 컴퓨터 시스템의 개요 및 기본 구조
컴퓨터는 크게 하드웨어와 소프트웨어로 구성됩니다.
| 구분 | 설명 | 예시 |
|---|---|---|
| 하드웨어 | 컴퓨터 정보의 전송 통로 제공 및 실제 정보 처리. 물리적 실체. | CPU, 주기억장치, 보조저장장치, 입출력장치 |
| 소프트웨어 | 정보 이동 방향, 처리 종류, 동작 시간 지정. 명령(command)들의 집합. | 운영체제(Windows, Linux), 워드프로세서 등 |
컴퓨터의 기본 기능
- 프로그램 실행: CPU가 주기억장치로부터 프로그램 코드를 읽어 실행
- 데이터 저장: 실행 결과 데이터를 주기억장치에 저장
- 데이터 이동: 디스크/SSD ↔ 기억장치 간 데이터 이동
- 데이터 입·출력: 키보드 입력, 모니터/프린터 출력
- 제어: 프로그램 실행 순서 및 각종 제어 신호 발생
주요 구성요소: 중앙처리장치(CPU), 기억장치(Memory), 입출력장치(I/O Devices)
이들은 시스템 버스로 연결되어 정보를 교환합니다.
구성요소 요약
- CPU: 프로그램 실행, 데이터 처리의 중추
- 기억장치
- 주기억장치: 고속, 일시적 저장, 반도체 칩
- 보조저장장치: 영구 저장, 대용량, 저렴, 느림 (HDD, SSD, CD-ROM 등)
- 입출력장치: 사용자와 컴퓨터 간 상호작용 (입력: 키보드, 출력: 모니터 등)
2. 정보의 표현과 저장 및 시스템 버스
컴퓨터 정보는 2진수 비트로 표현된 프로그램 코드와 데이터로 구성됩니다.
- 프로그램 코드: 기계어, 어셈블리, 고급언어(C, Python 등)
- 저장 단위: '단어(word)', '바이트(byte)'
시스템 버스 구성
| 버스 종류 | 방향성 | 역할 및 특징 |
|---|---|---|
| 주소 버스 | 단방향 | CPU → 기억장치/입출력장치 주소 지정. 주소선 수 = 최대 주소 지정 용량 결정 |
| 데이터 버스 | 양방향 | CPU ↔ 기억장치/I/O 데이터 전송. 데이터선 수 = 한 번에 전송 가능한 비트 수 |
| 제어 버스 | 양방향 | CPU ↔ 시스템 요소 제어 신호. 읽기/쓰기 등 제어 |
- I/O 장치는 제어기(device controller)를 통해 CPU와 연결, 상태/데이터 레지스터로 데이터 전송 관리
3. 컴퓨터 구조의 발전과정 및 동향
컴퓨터는 릴레이 → 진공관 → 트랜지스터 → 집적회로(IC) 로 발전하며, 속도·용량·신뢰도는 증가, 크기·가격은 감소했습니다.
주요 발전사
- 1642년: Pascal의 기계(덧셈/뺄셈)
- 1671년: Leibniz의 기계(곱셈/나눗셈)
- 19세기: Babbage의 Difference/Analytical Engine(프로그래밍 가능, 현대 컴퓨터 조상)
- 1940년대: ENIAC(진공관, 최초 전자식 컴퓨터, 프로그램 저장 불가)
- 폰 노이만 아키텍처: 프로그램/데이터를 기억장치에 저장, 2진수 체계, 프로그램 카운터(PC)로 실행 순서 지정
- 집적회로(IC) 발전: 트랜지스터 → IC(SSI, MSI, LSI, VLSI, ULSI), VLSI로 PC 등장
컴퓨터 시스템 분류 및 동향
개인용 컴퓨터(PC)
- 소형·저가, 8~64비트 CPU, 멀티코어, GPU 활용, 데스크탑/노트북/태블릿 등
임베디드 컴퓨터
- 기계/전자장치 내장, 가전·모바일·IoT·로봇 등 핵심
서버급 컴퓨터
- 워크스테이션: 64비트, 고속 그래픽, CAD/시뮬레이션
- 슈퍼미니컴퓨터: 다중프로세서, 서버 다운사이징
- 메인프레임: 대형, 대용량 저장, 고속 I/O, 은행/정부/포털 등
- 슈퍼컴퓨터: 최고 속도·용량, 과학/AI/시뮬레이션, PFLOPS급
구조적 분류
- 파이프라인 슈퍼컴퓨터: 소수 CPU, 초고속 연산
- 대규모 병렬컴퓨터: 수백~수천 CPU, 병렬처리, IBM BlueGene/Q(157만 코어), Summit(200PFLOPS, CPU+GPU)
- 클러스터 컴퓨터: 네트워크로 연결된 PC/워크스테이션 집합, 저가 고성능 병렬 컴퓨팅, 대형 웹서버/슈퍼컴퓨터 설계에 활용
2021년 Top500: 대규모 병렬·이기종(CPU+GPU) 컴퓨팅이 고성능 컴퓨팅의 주류임을 시사합니다.