[항해99] CS 하드웨어 1주차
CS 스터디
>> 항해99 / 7기 / D반 / 테즈먼해
>> ⌜1일 1로그 100일 완성 IT 지식 - 브라이언 W.커니핸/하성창 옮김/인사이트⌟ 일별 목표 챕터 읽기
I부 하드웨어 > 001 컴퓨터의 논리와 구조
컴퓨터는 아래와 같이 두 가지 구성으로 설명할 수 있다. 이에 대해 앞으로의 챕터에서 살펴볼 계획.
논리적 구성(또는 기능적 구성), 컴퓨터가 어떤 부분으로 이루어져 있고 무슨 일을 하며 어떻게 연결되는지?
물리적 구성, 각 부분이 어떻게 생겼고 어떻게 만들어지는지?
I부 하드웨어 > 002 프로세서 속도와 심장 박동수
컴퓨터와 비교하면, 휴대전화나 태블릿 PC는,
마우스, 키보드, 디스플레이가 화면이라는 하나의 구성 요소로 합쳐지는 점과 물리적 위치를 알기 위한 나침반, 가속도계, GPS 수신기 같은 숨은 구성 요소가 추가됨. 그 외는 컴퓨터와 비슷.
컴퓨터의 기본 구조 ( 폰 노이만 아키텍처)
- 1940년대 이래 이어지는 표준
- 프로세서, 명령어와 데이터를 담는 메모리, 저장 장치, 입출력 장치
+ Bus : 구성 요소들 중간에서 정보를 전달하는 통로, 여러 개의 전선이 있어 서로 연결됨. (다음 챕터에 설명 추가)
프로세서(Processor)
= CPU(Central Processing Unit, 중앙 처리 장치)
// 책 저자는 프로세서와 CPU가 같은 말인데 요즘은 프로세서를 더 자주 쓴다고.
- 컴퓨터의 두뇌
- 산술 연산(한정되어 있다), 데이터 옮기기, 다른 구성 요소 작업 제어
| '프로세서 : 2.2GHz 듀얼 코어 인텔 Core i7' 의미 2.2GHz: 프로세서의 속도(clock) / 1초에 수행할 수 있는 연산이나 명령어의 개수를 어림잡아 측정. 초당 22억 번씩. 1Hz(hertz의 축약형) : 초당 한 번 뛰거나 째깍거리는 것. 인간의 심장 박동이 약 1Hz. MHz(메가헤르츠) = 100만(10^6) 헤르츠, GHz(기가헤르츠) = 10억(10^9) 헤르츠 듀얼 코어: 하나의 패키지에 처리 장치가 두 개 들어 있음. (여기서 core = 프로세서 동의어) 인텔: 프로세서 제조사. Core i7: 인텔의 프로세서 제품군 중 하나 (숫자 높을 수록 최신, 좋은 것) |
주 기억 장치(Primary memory)
= RAM, Random Access Memory, 임의 접근 메모리)
⭐️ 프로세서가 현재 작업 중인 데이터 + 프로세서가 그 데이터로 무엇을 해야 하는지 알려 주는 명령어도 저장.
=> 메모리에 다른 명령어를 적재하여 프로세서가 다른 계산을 수행하게 함
=>=> 프로그램 내장식 컴퓨터 : 범용 장치(여러가지 목적으로 이용 가능한-)
ex) 워드 , 엑셀, 이메일, SNS, 음악 재생 등을 한 컴퓨터로 수행 가능.
How) 적합한 명령어를 메모리에 배치했기 때문에 가능
-임의 접근 ? 프로세서가 정보에 접근할 때 메모리에 저장된 위치와 무관하게 같은 속도로 접근할 수 있어서.
cf) Video tape 은 순차적 접근.
- 대부분의 메모리는 휘발성. 전원이 꺼지면 활성화된 정보 없어짐 => command or ctrl + S !important
- 용량 : 고정되어 있음. byte 단위로 측정.
1byte = 단일 문자, 작은 수 정도를 담을 수 있음.
"대개 메모리 용량이 클수록 컴퓨팅 속도가 더 빠르다."
메모리가 작으면, 동시에 여러 프로그램 실행하기에 용량이 충분하지 않음.
why) 비활성화된 프로그램의 일부를 옮겨 새로운 작업을 위한 공간을 만드는 데 시간이 걸림.
보조 기억 장치
= 디스크 또는 드라이브라고 함.
I부 하드웨어 > 003 HDD와 SSD의 차이
보조기억장치
| 주 기억 장치 | 보조 기억 장치 | |
| RAM | Hard Disk, Hard Drive, SSD(Solid State Drvie) |
|
| 정보 저장 용량 | 한정 | (메인)메모리보다 많은 정보 저장 |
| 전원이 꺼지면 | 내용 사라짐(휘발성) | 정보 유지(비휘발성) |
| 가격 | 비쌈 | RAM보다 저렴 |
| 정보 접근 속도 | 빠름 | RAM보다 느림 |
자기 디스크: 회전하는 기계 장치. 윙윙거리며 작동. 회전하는 금속 표면에 있는 자성 물질의 미세한 영역이 자성을 띠는 방향을 설정해 정보 저장. 데이터는 동심원을 따라 나 있는 트랙에 저장. 트랙 간 이동하는 센서를 이용, 데이터 읽고 쓰기. (LP판 돌아가는 거랑 비슷?)
플래시 메모리: 비휘발성. 전원이 꺼져도 개별 소자에 전하를 유지하는 회로에 정보가 전하 형태로 저장. 기존 디스크 저장 장치보다 더 빠르고, 가볍고, 안정적이고, 떨어뜨려도 고장이 덜 나고, 전력을 더 적게 사용. SSD가 플래시 메모리를 사용. 휴대전화, 카메라, 최신 노트북 대부분에서 SSD 사용.
⭐️ 디스크 드라이버는 컴퓨터의 논리적 구조와 물리적 구현 간의 차이를 보여 주는 좋은 예!
=> 폴더와 파일의 '계층 구조'
==> 우리는 계층 구조에 완전히 익숙해져 있음. 데이터 저장 장치라면 모두 계층 구조를 제공.
===> 추상화(컴퓨팅 곳곳에 스민 아이디어, 물리적 구현의 세부 사항을 숨김)의 좋은 예.
====> 일반인은 물리적 작동 방식을 다 알 필요 없이, 익숙한 계층 구조를 이용하면 됨.
다른 장치들
입력 장치 : 마우스, 키보드, 터치스크린, 마이크, 카메라, 스캐너, 게임 컨트롤러
출력 장치 : 디스플레이, 프린터, 스피커, 헤드폰
통신 장치 : 와이파이, 블루투스
+ BUS : 전기 공학에서 빌려온 용어. 컴퓨터 내부에 여러 가지 버스가 있고 각각 그 기능에 적합한 속성이 있음. 프로세서와 메모리 사이를 연결하는 버스는 짧고 빠르지만 비싼 반면, 헤드폰 잭에 연결되는 버스는 길고 느리지만 저렴. 일부 버스는 외부에 드러나 있음. 예) USB(Universal Seria Bus, 범용 직렬 버스)
I부 하드웨어 > 004 가로세로 1cm 프로세서 칩
컴퓨터의 전자회로: 몇 가지 기본 소자가 매우 많이 모여 만들어짐.
▷논리 게이트(logic gate): 가장 중요한 기본 소자.
한 개나 두 개의 입력 값을 바탕으로 단일 출력 값을 계산해 냄! 출력 신호 제어도!
(더 알아보기 : 찰스 펫졸드 <CODE> 참고)
▷집적회로(IC, Integrated Circuits): 디지털 전자 장치의 핵심 요소. 칩 또는 마이크로칩이라고 함.
1958년경, 로버트 노이스, 잭 킬비가 독자적으로 발명.(2000년 노벨 물리학상(잭 킬비만, 노이스 사망 이후))
논리 게이트는 집적회로 상에서 만들어짐.
모든 소자와 배선이 단일 평면(얇은 실리콘 판) 위에 들어가 있음. 광학적, 화학적 공정 거쳐 제조.
=> 실리콘 밸리 : 집적회로 사업이 처음 시작된 지역((미국 캘리포니아 샌프란시스코 남부).
현재는 그 지역에 있는 모든 첨단 기술 회사를 일컫는 약칭.
==> 실리콘 앨리(뉴욕), 실리콘 펜(영국 케임브리지)
칩은 지름이 약 12인치(30cm)인 원형 웨이퍼 상에서 한꺼번에 제조.
웨이퍼 --cut--> 칩 --packaging(외부로부터 보호하기 위해 적절한 물질로 감싸는 것)--> 더 큰 패키지에 장착
▷트랜지스터(transistor): 회로 소자에서 가장 핵심적인 부분.
1947년, 벨 연구소의 존 바딘, 월터 브래튼, 윌리엄 쇼클리가 발명(1956년 노벨 물리학상 공동 수상)
컴퓨터에서 스위치(전압의 제어를 받아 전류를 켜거나 끄는 장치) 역할. =>복잡한 시스템 구성 가능해짐!
트랜지스터의 수는 컴퓨팅 성능을 간접적으로 나타내는 지표.
I부 하드웨어 > 005 50년 넘게 유지된 무어의 법칙
무어의 법칙*: 일정한 크기의 집적회로에 들어갈 수 있는 트랜지스터의 수가 적어도 2년마다 대략 2배가 된다
(즉, 컴퓨팅 성능이 두 배로 증가한다.)
반도체 산업에서 목표 설정을 위한 일종의 가이드라인.
*1956년, 고든 무어(인텔 공동 창립자)의 예측 발언.
회로의 규모를 특징짓는 대표적인 척도
=> 집적회로의 배선 폭(회로선폭 , 업계에서는 '피처 크기'라 불림)
==> 꾸준히 줄어든 수치.
===> 집적회로의 선폭이 1000배 줄어들면 주어진 영역에 들어가는 소자의 수는 그 제곱만큼(백만 배) 늘어남.
====> 기존 기술로 트랜지스터 1000개 집적하던 것을 새로운 기술로 십억 개까지 집적할 수 있게 됨.
=====> 집적회로 설계&제조 : 극도로 정교한 기술 필요. 경쟁 치열, 제조 공정(팹 라인, Fabrication line) 비용 많이 듦
가까운 미래에, 무어의 법칙은 한계에 부딪힐 것으로 예측.
why) 일부 회로에는 개별 원자가 단 몇 개만 들어갈 수 있는 수준에 이르렀지만, 제어하기에 크기가 너무 작음.
프로세서 속도는 예전만큼 빨리 증가하지 않음(더 이상 2년마다 2배가 되지 않음)
why) 칩이 너무 빨라져 열을 너무 많이 발생시킴.
But, 메모리 용량은 UP! 칩 하나에 프로세서 코어를 두 개 이상 배치함으로써 더 많은 트랜지스터 활용 가능해서.
I부 하드웨어 > 007 연속과 불연속
"디지털 시스템의 입력이 되는 디지털 신호는 연속적인 아날로그 신호를 시간 단위로 쪼개어 불연속적인 신호로 변환하는 것이다."
컴퓨터가 정보를 표현하는 방식 3가지 아이디어
1. 컴퓨터는 디지털 처리 장치다.
2. 컴퓨터는 정보를 비트*로 표현한다.
3. 비트는 모여서 더 큰 정보를 표현한다.
*비트: 이진 숫자. 0 또는 1인 수.
아날로그와 디지털
아날로그(analog)
=> 우리가 사는 세상.
=> 다른 어떤 것이 변함에 따라 연속적으로 변하는 값이라는 개념을 전달하는 단어.
==> 현실에서 우리가 다루는 사물 대부분은 아날로그 방식. ex) 수도꼭지, 자동차 핸들, 온도계, 점토판, 종이, 사진 필름, ...
==>한 값이 조금 변하면 다른 값도 조금 변하게 된다.
디지털(digital)
=> 불연속적인 값을 다루므로 가능한 값의 수가 정해져 있다. ex) 방향 지시등, 디지털 시계, ...
==> 디지털 데이터는 기존 출처와는 무관하게 다양한 방식으로 저장되고, 전송되고, 처리될 수 있다.
==> 디지털 정보는 불필요하거나 중요하지 않은 정보를 버리는 방식으로 압축될 수 있다. ===> 네트워크를 통해 전송할 때 효과적.
==> 보안과 개인정보 보호를 위해 암호화되고, 다른 데이터와 병합되고, 그대로 복사되고, 인터넷을 통해 어디로든 옮겨지고, 한없이 다양한 장치에 저장될 수 있다.
=> 아날로그에 비해 훨씬 쉽게 확장할 수 있다.
I부 하드웨어 > 008 아날로그 정보를 디지털로 바꾸기
이미지 디지털화하기
아날로그 카메라
화학 물질을 입힌 플라스틱 필름에 있는 감광 영역을 피사체에서 오는 빛에 노출하여 영상을 만들어 낸다. 영역마다 서로 다른 색의 빛을 각기 다른 양으로 받아들이고, 받아들인 빛은 필름 내 염료에 영향을 미친다.
디지털 카메라
=> 빛의 강도를 나타내는 수를 배열한 것.
1. 렌즈가 적색, 녹색, 청색 필터 뒤에 놓인 미세한 광검출 소자의 직사각형 배열에 영상의 초점을 맞춤.
2. 각 검출 소자는 소자에 들어오는 빛의 양에 비례하는 양으로 전하를 저장.
3. 저장된 전하는 수치로 변환.
==> 검출 소자가 더 많고 전하가 더 정밀하게 측정될수록, 영상은 피사체 원형을 더 정확하게 담아낸다.
센서배열
=> 각 요소는 적색(red), 녹색(green) , 청색(blue) 빛의 양을 측정하는 세 개의 검출 소자로 구성. (RGB)
=> 각 요소는 화소(picture element)라는 뜻에서 픽셀(pixel)이라고 함.
==> 디스플레이 화면은 미세한 적색, 녹색, 청색 빛 요소가 모여 구성된 배열에 영상을 표시하며, 각 요소는 픽셀에서 해당하는 수준에 따라 밝기 수준이 정해진다.
음향 디지털화하기
소리란?
=> 소리의 근원인 음원에서 발생한 진동이 공기에 압력 변화를 일으켜 파동의 형태로 전파되어 고막을 진동시키면 신경 활동으로 변환되는데, 뇌에서 이것을 소리로 받아들인다.
LP(long-Playing) 레코드
=> 시간에 따른 음압의 변화를 패턴으로 새긴 나선형의 홈이 있는 비닐 원판. 1940년대 등장.
==> 소리가 만들어질 때 마이크가 음압의 변화를 측정하고, 이 측정값은 나선형 홈에 패턴을 만드는 데 사용.
==> LP가 재생될 때, 가는 바늘이 홈의 패턴을 따라가고 그 움직임은 값이 변동하는 전류로 변환. 전류는 증폭되어 포면을 진동시켜 소리를 만들어 내는 장치를 구동하는 데 이용.
아날로그 -> 디지털
=> 파형에서 수로 변화는 과정
=> 변환을 수행하는 장치 : A/D 변환기 (반대는 D/A 변환기)
파형의 디지털 표현
=> 곡선의 높이(마이크에서 측정한 기압)를 일정한 시간 간격으로 측정하여 값을 모으면 곡선의 값에 가까운 일련의 수치가 됨.
==> 더 자주, 더 정밀하게 측정할수록 근사치는 더욱 정확해짐.
===> 이 일련의 수가 파형의 디지털 표현!
====> 일련의 수를 해당 수치에 맞는 전압과 전류 패턴으로 변환하고, 스피커나 이어폰을 구동하고, 다시 소리로 표현하는 장치로 음악을 재생.
영화 디지털화하기
오늘날 영화는 초당 24프레임의 비율, TV는 초당 25프레임 또는 30프레임의 비율로 이미지를 보여주고, 비디오 게임은 일반적으로 초당 60프레임을 사용한다. 옛날 영화는 초당 12프레임만 사용하여 눈에 띌 정도의 깜박거림(flicker)이 있었다.
=> 영화의 디지털 표현: 음향과 영상 요소를 결합하고 동기화.
=> 동영상 표현 기술인 MPEG(Moving Picture Experts Group) 같은 압축 기술을 사용하면, 저장에 필요한 용량을 줄일 수 있음.
텍스트 디지털화하기
아스키코드(ASCII) : 미국에서 알파벳, 숫자, 기호 등의 문자에 공유한 번호를 부여한 표현 방식. 1963년 표준화됨.
https://ko.wikipedia.org/wiki/ASCII
ASCII - 위키백과, 우리 모두의 백과사전
1972 프린터 사용 설명서에 개시된 아스키 코드 차트표 미국정보교환표준부호(영어: American Standard Code for Information Interchange), 또는 줄여서 ASCII( , 아스키)는 영문 알파벳을 사용하는 대표적인 문자
ko.wikipedia.org
유니코드
모든 언어에 있는 모든 문자에 고유한 숫자 값을 지정한 것.
http://www.unicode.org/charts/
Unicode 14.0 Character Code Charts
Unicode 14.0 Character Code Charts Scripts | Symbols & Punctuation | Name Index Find chart by hex code: Help Conventions Terms of Use Notational Systems Braille Patterns Musical Symbols Ancient Greek Musical Nota
www.unicode.org
=> 차트에서 한국어 검색은 Hangul Jamo
I부 하드웨어 > 009 0과 1의 세계
세상에는 오직 10가지 사람들이 존재한다. 이진수를 이해하는 사람들과 그렇지 않은 사람들
디지털 시스템은 이진수(binary number)를 사용한다.
비트(bit)
=> 이진 숫자(binary Digit)를 축약한 것.
=> 하나의 비트는 0이나 1의 값을 가질 수 있고, 각각은 참, 거짓 혹은 서로 배타적인 상태를 나타낸다.
=> 1940년대 통계학자 존 투키가 만듦.
==> 비트가 N개 있다면 표시할 수 있는 비트 패턴의 개수는 2^N(2를 N번 곱함).
===> 2의 거듭제곱 중 일부는 10의 거듭제곱에 가까운 값이고, 규칙적이다.
