[이어드림스쿨 1주차] 컴퓨터 개론 (1)

컴퓨터를 잘 이해하는 것은 개발자로서 필수적인 능력이다.
아무리 뛰어난 코드도 실행 환경인 컴퓨터를 고려하지 않으면 성능이 떨어질 수 있기 때문이다.
특히, 내 컴퓨터가 아무리 좋더라도, 프로그램을 실행하는 사용자의 컴퓨터가 그렇지 않을 수 있다.
따라서 컴퓨터의 구조와 동작 방식을 이해하는 것이 좋은 개발자가 되는 첫걸음이다.

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🔹 컴퓨터의 동작 방식

컴퓨터(Computer)란?

"컴퓨터(Compute) + er"라는 이름처럼, 컴퓨터는 계산을 수행하는 기계다.
컴퓨터는 크게 데스크톱, 노트북, 스마트폰, 아두이노 등 다양한 형태로 존재한다.

컴퓨터는 키보드, 마우스 등의 입력 장치를 통해 명령을 전달받고, 처리 후 결과를 출력 장치(모니터, 프린터 등) 를 통해 사용자에게 보여준다.
예를 들어, 엑셀 문서를 실행하면 저장된 데이터를 불러와 화면에 표시하는 방식으로 동작한다.

📌 컴퓨터에서 처리하는 데이터의 종류
✔ 숫자 (0, 1, 2, ...)
✔ 문자 (A, B, C, 가, 나, 다...)
✔ 이미지, 동영상, 사운드 등

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🔹 데이터와 명령어 – 컴퓨터의 언어

컴퓨터는 데이터와 명령어로 동작하며, 기본적으로 0과 1(기계어) 만 이해할 수 있다.

✔ 기계어(Machine Language)

• 컴퓨터가 이해할 수 있는 가장 낮은 수준의 언어

• 0과 1의 이진수(Binary)로 구성됨

• 사람이 직접 작성하기 어렵기 때문에, 다른 언어를 사용하여 변환해야 함

✔ 어셈블리어(Assembly Language)

• 기계어와 1:1로 대응되는 저수준 프로그래밍 언어

• 가독성이 높지만, 여전히 사용하기 어려운 편

• 어셈블러(Assembler) 를 이용해 기계어로 변환됨

✔ 고급 프로그래밍 언어

• 사람이 이해하기 쉬운 언어 (C, Python, Java 등)

• 컴파일러(Compiler) 또는 인터프리터(Interpreter) 를 이용해 기계어로 변환됨

📌 프로그래밍 언어 변환 과정
기계어 ↔ 어셈블리어 ↔ 고급 프로그래밍 언어

컴퓨터는 기계어를 사용하여 데이터를 처리하고, 개발자는 프로그래밍 언어를 사용해 컴퓨터와 소통한다.

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🔹 메모리 – 데이터를 저장하는 공간

컴퓨터에서 데이터를 저장하는 장치인 메모리(memory) 는 크게 주기억장치(RAM), 보조기억장치(SSD, HDD), 캐시, 레지스터 로 나뉜다.

✔ 기억장치의 종류 (속도 순)

📌 RAM (Random Access Memory) – 주기억장치

• 컴퓨터에서 실행 중인 프로그램과 데이터를 임시 저장

• 휘발성 메모리(Volatile Memory) → 전원이 꺼지면 데이터가 사라짐

📌 RAM의 종류

1. SRAM (Static RAM)

   • 전원이 공급되는 동안 데이터를 유지함

   • DRAM보다 빠르지만 가격이 비싸고 용량이 작음

   • 주로 CPU 캐시 메모리(L1, L2, L3 캐시) 로 사용

2. DRAM (Dynamic RAM)

   • 일정 시간마다 데이터를 새로고침(refresh)해야 함

   • 저렴한 가격과 높은 용량을 제공

   • 일반적인 RAM (DDR4, DDR5) 로 사용됨

3. SDRAM (Synchronous DRAM)

   • CPU 클럭 신호와 동기화되어 동작하는 DRAM

   • 현대적인 RAM의 기본 구조 (DDR SDRAM, LPDDR 등)

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📌 ROM (Read-Only Memory) – 비휘발성 메모리

• 전원이 꺼져도 데이터가 유지되는 비휘발성 메모리(Non-Volatile Memory)

• 부팅 과정에서 운영체제(OS)를 로드하는 역할 (BIOS, 펌웨어 저장소)

📌 ROM의 종류

1. Mask ROM

   • 데이터를 한 번만 저장할 수 있음 (제조 시 미리 데이터가 입력됨)

   • 변경이 불가능하여 고정된 소프트웨어 저장에 사용

2. PROM (Programmable ROM)

   • 한 번만 데이터를 기록할 수 있음 (사용자가 직접 데이터를 입력 가능)

   • 전기적으로 수정 불가능

3. EPROM (Erasable Programmable ROM)

   • 자외선(UV)으로 데이터를 삭제하고 다시 기록 가능

   • 옛날 마더보드의 BIOS 칩 등에 사용됨

4. EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM)

   • 전기적으로 데이터를 지우고 다시 기록 가능

   • 플래시 메모리(USB, SSD)도 EEPROM 기반

컴퓨터는 메모리 주소를 이용해 데이터를 식별하며, 주기억장치에 있는 데이터를 CPU가 처리하는 방식으로 동작한다.

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🔹 CPU – 컴퓨터의 두뇌

CPU(Central Processing Unit)는 컴퓨터에서 데이터를 처리하는 가장 중요한 장치다.
CPU의 성능은 클럭 속도(Hz)와 코어 개수에 의해 결정된다.

✔ CPU의 주요 구성 요소

1️⃣ 산술논리 연산 장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)

• 덧셈, 뺄셈, 논리 연산(AND, OR, NOT) 수행

2️⃣ 제어 장치(Control Unit)

• 명령어를 해석하고, CPU의 동작을 제어

3️⃣ 레지스터(Register)

• CPU 내부에서 데이터를 임시로 저장하는 초고속 메모리

📌 논리 회로와 불 대수
컴퓨터의 논리 연산은 불 대수(Boolean Algebra) 를 기반으로 한다.
즉, 0과 1만을 이용하여 모든 연산을 수행하며, 이를 위해 논리 게이트(AND, OR, NOT 등)를 사용한다.

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🔹 CPU 제어 장치

CPU의 제어 장치는 명령어를 해독하고 실행하는 역할을 한다.

📌 CPU 내부 주요 레지스터

• 명령어 레지스터(IR) → 실행할 명령어를 저장

• 메모리 주소 레지스터(MAR) → 명령어의 주소 저장

• 메모리 버퍼 레지스터(MBR) → 데이터를 임시 저장

• 프로그램 카운터(PC) → 다음에 실행할 명령어의 주소 저장

CPU는 이러한 레지스터를 활용하여 연산을 빠르게 수행하고, 전체적인 컴퓨터의 흐름을 제어한다.

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🔹 기타 장치 – 컴퓨터를 구성하는 요소들

1️⃣ 입출력 장치

• 입력 장치: 데이터를 입력하는 장치 (키보드, 마우스, 조이스틱 등)

• 출력 장치: 처리된 데이터를 출력하는 장치 (모니터, 스피커, 프린터 등)

2️⃣ 보조 기억장치

• 전원이 꺼져도 데이터를 보관하는 역할

• 예시: SSD, HDD, CD-ROM, USB

📌 보조 기억장치는 주기억장치보다 속도가 느리지만, 영구적인 데이터 저장이 가능하다.

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🔹 컴퓨터의 동작 흐름

✔ 시스템 버스 (System Bus)

컴퓨터 시스템 내에서 데이터를 주고받는 경로를 의미하며, 크게 3가지로 나뉜다.

컴퓨터의 모든 장치는 메인보드(마더보드)를 통해 시스템 버스로 연결된다.

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🔹 전체적인 컴퓨터 동작 과정

1️⃣ 전체 시스템의 동작 흐름

1. 입력 장치로 데이터를 입력

2. CPU가 데이터를 처리 (레지스터 & 연산 장치 활용)

3. 결과를 메모리에 저장하거나 출력 장치로 전달

2️⃣ CPU의 동작 과정 (명령어 처리 사이클)

1️⃣ FETCH (인출) → 메모리에서 명령어를 가져옴
2️⃣ DECODE (해석) → 명령어를 해석
3️⃣ EXECUTE (실행) → 명령어를 실행

CPU는 이 과정을 반복하며, 사용자가 요청한 모든 작업을 처리한다.

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🚀 정리

✔ 컴퓨터는 데이터와 명령어를 처리하는 기계이며, 다양한 하드웨어로 구성됨
✔ CPU는 컴퓨터의 두뇌 역할을 하며, 명령어를 해석하고 연산을 수행
✔ 메모리는 데이터 저장을 담당하며, RAM(휘발성), ROM(비휘발성)으로 나뉨
✔ 컴퓨터의 모든 장치는 시스템 버스를 통해 데이터를 주고받음
✔ 컴퓨터는 FETCH → DECODE → EXECUTE 과정을 반복하여 동작

컴퓨터의 기본 개념을 잘 이해하면, 더 효율적인 코드를 작성하고 성능을 최적화하는 개발자가 될 수 있다.