폰 노이만 컴퓨터 구조

개요

폰 노이만 컴퓨터 구조가 등장하기 이전의 컴퓨터들은 스위치를 직접 설치하고 전선을 연결하여 데이터를 주고 받는 식으로 프로그래밍 해야 했기 때문에 융통성이 매우 낮고 진공관/스위치 등 많은 부품이 쓰여 전력이 엄청나게 소모되었다. 이런 문제를 해결하기 위해 폰 노이만이라는 수학자가 프로그램과 데이터를 모두 기억장소에 저장하여 실행하는 프로그램 내장방식 (stored program concept)라는 개념을 도입하였다.

 

폰 노이만  컴퓨터 구조

폰 노이만 컴퓨터 구조는 제어장치, 산술·논리 연산장치, 기억·저장장치, 입력장치, 출력장치로 구분할 수 있다. 크게 보면 중앙처리장치 (CPU), 메모리, 프로그램 세 가지로 구성되어 있으며 폰 노이만 구조의 핵심은 CPU와 메모리를 분리하여 명령어를 읽고 데이터를 읽고 쓰는 게 가능하다는 것이다. CPU와 메모리는 서로 분리되어 있지만, 둘을 연결하는 버스를 통해 명령어 읽기, 데이터 읽고 쓰기가 가능하다.

 

 

 

 

폰 노이만 구조의 장점

폰 노이만의 컴퓨터 구조는 제어장치, 연산장치, 기억장치 이루어진 프로그램 내장 방식의 설계 구조를 가지고 있으며, 이는 오늘날 대부분의 컴퓨터가 채택하고 있는 프로그램 내장방식 설계 구조이다.

이런 내장형 컴퓨터는 프로그램을 구성하는 명령어를 메모리상에 순차적으로 배열하므로 프로그램 과정이 용이하고, 프로그램이 자신의 명령어를 수정할 수 있게 허용하여 컴퓨터가 다른 작업을 할 때 하드웨어를 재배치 시킬 필요가 없고 프로그램만 교체하면 되어 범용성이 크게 향상 된다.

 

하드웨어 구성 요소

입력 장치

컴퓨터는 사용자로부터 데이터를 명령어와 함께 받아 명령어에 따라 데이터를 처리하는 기계이다. 입력 장치는 사용자가 입력하는 데이터와 명령어를 컴퓨터가 이해할 수 있는 형태로 변환하여 기억장치나 중앙처리장치CPU에 전달해 주는 장치를 말한다. 키보드, 마우스가 오늘날 컴퓨터의 기본적인 입력장치이다.

중앙처리장치 CPU

중앙처리장치는 컴퓨터의 두뇌에 해당하며, 가장 중요한 일을 한다. 첫째, 실제 연산을 수행한다. 둘째, 컴퓨터의 각 요소들을 순서에 맞춰 작동시키는 제어작용을 수행한다.

 

1) 산술/논리 연산장치 Arithmetic and Logic Unit

위에서 언급한 첫번째 역할을 담당하는 요소가 산술/논리 연산장치이며, 중앙처리장치의 가장 중요한 요소이다. 사칙연산을 포함한 산술연산과 참과 거짓을 판별하는 논리연산을 수행하는 장치이다.

 

2) 제어장치 Control Unit

위에서 언급한 두번째 역할을 담당하는 요소이며, 컴퓨터 기억장치에 저장된 명령어를 불러와서 해석하고, 해석한 명령어에 따라 작업을 지시한다. 즉 제어장치는 CPU 내부에서 일어나는 모든 동작을 컨트롤하고 관리하는 장치이다.

 

3) 레지스터

레지스터는 중앙처리장치에 있는 내부기억장치로, 연산처리를 위한 데이터나 결과를 임시적으로 보관해두는 임시 기억 장치이다.

 

기억장치

데이터 저장 역할을 하는 메모리는 컴퓨터가 사용하는 데이터를 저장한다. 메모리는 특성과 역할에 따라 캐시, 주기억장치, 보조기억장치로 나뉜다. 입력장치로부터 컴퓨터 내부로 전달되는 모든 데이터는 2진수로 바뀌어 기억장치에 저장된다.

기억장치는 대량의 데이터를 저장하고 액세스할 능력을 제공하므로 컴퓨터의 성능을 결정하는 중요한 요소이다.

 

1) 주기억장치

주기억장치는 컴퓨터에서 CPU가 실행할 프로그램의 명령어와 처리할 데이터를 저장할 때 사용된다. 대표적으로는 RAM(Random Access Memory)과 ROM(Read Only Memory)이 있다.

RAM은 전원이 공급되어있는 동안에는 데이터를 기억하고 있지만 전원이 끊기면 내용이 없어지는 휘발성 기억장치이다. RAM은 SRAM(Static RAM)과 DRAM(Dynamic RAM)으로 구분되는데, SRAM은 기억소자에 정보가 저장되면 전원이 유지되는 한 그 데이터를 잃어버리지 않는 반면, DRAM은 전원이 공급되는 동안에도 일정 주기로 충전 해주어야 데이터를 상실하지 않는다.

ROM은 전원 공급이 끊겨도 이전 정보가 계속 남아있는 비휘발성 기억장치이다.

주기억 장치는 거의 대부분 저렴한 DRAM으로 구성되어있다.

 

2) 보조기억장치

주기억장치를 보조하는 기억장치로, 아래와 같은 이유로 필요하다.

첫째로, 매우 큰 용량의 기억장치가 필요하다. 컴퓨터 시스템에 필요한 모든 프로그램과 데이터를 주기억장치에 저장시켜놓고, 컴퓨터가 언제든 즉시 데이터를 가져와서 프로그램을 실행 시키기에는 너무 큰 주기억장치가 필요하다. 따라서 보조 기억장치가 대량의 데이터를 저장하기위해 사용된다.

둘째로, 전원이 공급되지 않아도, 저장된 내용이 날라가지 않는 비휘발성 기억장치가 필요하다. 캐시나 주기억장치는 전원이 꺼지면 현재까지 저장한 내용을 잃어버리므로 보조기억장치를 통해 기억장치에 저장한 내용을 전원을 끈 다음에도 사용할 수 있다.

보조기억장치에는 자기테이프, 자기디스크, 광디스크, 반도체 기반의 SSD, USB 메모리 등이 있다.

 

3) 캐시

주기억장치로 흔히 쓰이는 DRAM은 데이터를 처리하는 CPU 보다 속도가 많이 느리다. 그래서 CPU가 주기억장치에서 데이터를 가져올 때 시간이 많이 소요되는데, 이런 주기억장치의 단점을 해결하기위해 캐시메모리를 활용할 수 있다. 다시 말하면 주기억장치는 보조기억장치보다는 빠르지만 CPU 동작 속도에 비해서는 매우 느리므로 중앙처리장치 캐시를 사이에 두어 컴퓨터의 성능을 향상시킬 수 있다.

캐시는 데이터가 CPU에 빨리 전달될 수 있게 자주 사용되는 주기억장치와 중앙처리장치 사이에 위치해있고, 부피가 크고 가격이 비싸다. 하지만 매우 빠른 SRAM으로 구성되며 보통 수백 MB의 용량을 갖는다.

 

출력 장치

컴퓨터가 입력장치로부터 데이터와 명령어를 받고 그 명령대로 데이터를 처리하면 이에 대한 결과를 생성한다. 이러한 생성된 결과를 출력장치를 통해 사람이 알아볼 수 있는 형태로 변환해 주는 역할을 한다. 대표적인 출력 장치는 모니터, 프린트가 있다.