포털:고등학교/정보·통신 계열 전문 교과(2015)/컴퓨터 시스템 일반/컴퓨팅 시스템의 구성과 동작

컴퓨팅 시스템

컴퓨팅 시스템의 정의

컴퓨팅이란 하나 이상의 목적을 달성하기 위하여 컴퓨터를 활용해 개발, 계산하는 활동을 뜻한다.
즉, 컴퓨팅 시스템이란 하드웨어, 소프트웨어, 데이터, 네트워크 등 컴퓨팅을 활동을 하기 위한 모든 자원(하드웨어)과 입력, 출력, 처리 장치 및 저장 장치의 기능을 포함하고 있는 시스템(소프트웨어)을 의미한다. 그러므로 우리 주변의 게임기, 스마트폰, 컴퓨터 모두 컴퓨팅 시스템을 이용한다고 볼 수 있다.

컴퓨터의 구성과 작동

하드웨어

컴퓨터 등의 전자제품을 분해하면 보이는 CPU, RAM, HDD, 각종 입출력장치 등 전자제품을 구성하는 물리적인 요소를 말한다.
전자제품의 기능과 사양을 향상시키기 위해 하드웨어의 추가와 교체가 필요하다. 이때 비용이 많이 들고, 분해와 조립에 많이 시간이 필요하다.
순한글로 '굳은모'라 칭한다.

소프트웨어

하드웨어와 함께 컴퓨터를 구성하는데 필수적인 요소로서, 전자제품에 대하여 명령, 저장, 처리 등의 과정을 수행하는 기술서나 그 밖의 자료를 뜻한다.
소프트웨어는 물질이 아니며 전자제품을 통해 간접적으로 이용할 수 있다.
하드웨어와 다르게 혼자 개발, 제작, 업그레이드 등에 비해 필요한 시간과 비용이 적다.
순한글로 '무른모'라 칭한다

하드웨어의 종류

입출력장치, 중앙처리장치, 기억장치, 전원장치, 메인보드로 구성된다. 중앙처리장치는 산술연산장치와 제어장치, 레지스터로 분리되며, 기억장치 또한 주 기억장치와 보조 기억장치, 캐시 기억장치로 분리된다.

메인보드

컴퓨터와 같은 확장 가능한 전자기기에 쓰이는 필수 주요부품의 일종으로, 각종 케이블이나 배선을 통합하여 연결하는 회로와 입출력 포트가 설치되어 있는 전자기판이다. CPU나 램과 같은 시스템이 작동되기 위한 주요 부품 장착과 주변 장치를 연결할 수 있는 인터페이스를 제공하는 인쇄회로기판(PCB)을 의미한다.

중앙처리장치

중앙처리장치는 사람의 두뇌와 같이 컴퓨터 시스템에 부착된 모든 장치의 동작을 제어하고 명령을 실행하는 장치입니다. 시스템을 제어하는 제어장치와 계산의 과정을 담당하는 산술논리연산장치, 저장 역할을하는 레지스터, 그리고 이들을 연결하여 데이터를 전달하는 버스로 구성되어 있습니다

• 산술논리연산장치

연산장치는 제어장치의 명령에 따라 실제로 연산을 수행하는 장치입니다. 연산장치가 수행하는 연산에는 산술연산, 논리연산, 관계연산, 이동등이 있으며 연산장치는 가산기, 누산기, 보수기, 데이터 레지스터, 오버플로 검출기, 시프트레지스터등으로 구성되어 있습니다.

• 제어장치

제어장치는 컴퓨터에 있는 모든 장치들의 동작을 지시하고 제어하는 장치입니다. 제어장치는 명령 레지스터에서 읽어들인 명령어를 해독하여 해당하는 장치에게 제어 신호를 보내 정확하게 수행하도록 지시합니다.

• 레지스터

레지스터는 CPU 내부에서 처리할 명령어나 연산의 중간 결과값 등을 일시적으로 기억하는 임시 기억장소입니다.

레지스터는 플립플롭이나 래치들을 병렬로 연결하여 구성하며 메모리 중에서 속도가 가장 빠릅니다. 레지스터의 크기는 워드를 구성하는 비트 개수만큼의 플립플롭을 구성되며, 여러개의 플립플롭은 공통 클록의 입력에 의해 동시에 여러 비트의 자료가 저장됩니다.

기억장치

컴퓨터에서 자료를 일시적으로, 또는 영구히 보존하는 장치를 말한다. 컴퓨터 시스템은 프로그램과 프로그램을 수행하는 데 필요한 데이터를 저장하기 위해서 다양한 기억장치를 사용한다. 주기억장치와 보조기억장치, 캐시기억장치가 있다.

• 주 기억장치

주기억장치는 CPU가 직접 접근하여 처리할 수 있는 고속의 기억장치(Memory)로 현재 수행되는 프로그램과 데이터를 저장하고 있습니다. 종류에는 ROM과 RAM이 있습니다.

1. ROM

기억된 내용을 읽을 수만 있는 기억장치로서 일반적으로 쓰기는 불가능하고 전원이 실제로 꺼져도 기억된 내용이 지워지지 않는 비휘발성 메모리이다. 실제로 ROM은 주기억장치로 사용되기보다는 주로 BIOS같은 변경 가능성이 희박한 시스템 소프트웨어를 기억시키는데 이용합니다.

2. RAM

자유롭게 읽고 쓸 수 있는 기억장치로, 사용중인 프로그램이나 데이터가 저장되어 있습니다. 전원이 꺼지면 기억된 내용이 모두 사라지는 휘발성 메모리입니다. 재충전 여부에 따라 동적 램(DRAM)과 정적 램(SRAM)으로 구분합니다.

• 보조 기억장치

보조기억장치는 주기억장치의 단점을 보완하기 위한 기억장치입니다. 보조기억장치는 주 기억장치에 비해 속도는 느리지만 전원이 차단되어도 내용이 그대로 유지되고 저장용량이 크다는 장점이 있습니다. 중앙처리장치와 직접 자료 교환이 불가능하며 접근시간이 오래걸리고 CPU가 직접 접근할 수 없다. 자기테이프와 자기디스크 등이 있다.

1. 자기테이프

자기테이프에는 주소의 개념이 없고, 처음부터 차례대로 처리하는 순차처리만 할 수 있는 대용량 저장 매체로 평균처리시간이 가장 길고 가격이 저렴하고 용량이 커서 자료의 백업용으로 많이 사용합니다. 자성물질이 코팅된 얇은 플라스틱 테이프를 동그란 릴에 감아 놓은 형태로 테이프의 시작과 끝 부분을 알리는 은박지 사이의 정보 저장 부분을 7~9트랙으로 구성합니다. 블록 단위로 데이터를 전송하며, 블록과 블록 사이에는 데이터를 기록할 수 없는 공간인 GAP이 존재합니다.

2. 자기디스크

자성 물질을 입힌 금속 원판을 여러장 겹쳐서 만든 기억매체로 용량이 크고 접근속도가 빠릅니다. 자기 디스크는 순차, 비순차(직접) 처리가 모두 가능합니다. 개인용 컴퓨터에는 디스켓이나 하드디스크 형태로 많이 사용합니다.

• 캐시 기억장치

캐시 메모리는 CPU의 처리속도와 주기억장치의 접근 속도 차이를 줄이기 위해 사용하는 고속 Buffer Memory입니다. 캐시는 주기억장치와 CPU사이에 위치하며, 자주 사용하는 프로그램과 데이터를 기억하고 메모리 계층 구조에서 가장 빠른 소자이며, 처리속도가 거의 CPU의 속도와 비슷할 정도의 속도를 가지고 있다. 캐시메모리를 사용하면 주 기억장치를 접근하는 횟수가 줄어들어 컴퓨터의 처리속도가 향상되며 캐시의 크기는 보통 수십 KByte ~ 수백 KByte이다.

입출력장치

• 입력장치

사용자가 원하는 문자, 기호, 그림 등의 데이터 또는 명령(프로그램)을 컴퓨터 내부의 메모리에 전달하는 장치이다. 마우스, 키보드, 터치스크린 등이 있다.

• 출력장치

사람이 읽을 수 있는 빛, 소리, 인쇄등의 방식으로 컴퓨터의 결과물을 출력하는 장치이다. 모니터, 프린터, 스피커 등이 있다.

통신장치

데이터를 주고받기 위한 데이터 전송 장치나 데이터 입출력 장치를 의미한다.
전자제품 사이의 통신이 가능하게 하는 역할을 수행하며, 대표적으로 특정 장소에 인터넷을 공급하는 모뎀, 전자제품에 인터넷을 공급하는 랜선, 전자제품이 무선으로 인터넷을 이용가능하게 하는 무선 랜카드 등이 있다.

전원공급장치

컴퓨터의 구동에 필요한 전력을 공급해 주는 장치를 의미한다.

가정에 공급되는 전력은 일반적으로 교류 전원이고 컴퓨터에 사용된 전자 부품이 필요로 하는 전력은 직류전원이므로, 교류를 직류로 변환하는 장치가 필요한데 이 역할을 하는 것이 컴퓨터의 전원 공급 장치 이다.

소프트웨어

대표적으로 (유닉스,리눅스,윈도우7,C언어,JAVA) 등이있다 

펌웨어(시스템 소프트웨어)

특정 하드웨어 장치에 포함된 소프트웨어로, 소프트웨어를 읽어 실행하거나, 수정되는 것도 가능한 장치를 뜻한다. 특징 : 하드웨어와 소프트웨어의 특성을 동시에 갖고 있으며 대부분 ROM에 설치된다. 하드웨어보다는 교환하기가 쉽지만, 소프트웨어보다는 어렵다. 주변장치들이 각자의 기능대로 실행되기 위한 최소한의 기본적인 프로그램이다. 바이오스 등이 있다.

운영체제

운영체제의 역할은 파일을 관리하고 제어하고 컴퓨터와 사용자 사이의 중재적 역할을 하는 것으로 인터페이스를 제공한다

시스템 소프트웨어

사용자가 쉽게 컴퓨터를 사용할수 있게 해주고 컴퓨터 시스템을 더욱 효율적이게 운영할수있게 각종 자원을 관리하는 프로그램들의 집합체 로 제어프로그램과 처리 프로그램으로 분류한다. 제어프로그램은 컴퓨터 시스템 전체의 동작 상태를 감독하는 프로그램과 주기억 장치 외부기억 장치 사이의 데이터 전송 그리고 외부기억 장치에 저장되어 있는 데이터를 관리를 하는 데이터 관련 프로그램, 작업의 연속처리와 입력 출력 장치 할당을 관리하는 작업 관리 프로그램이 있다 .처리 프로그램은 프로그래머가 작성한 프로그램을 컴퓨터가 실행해 주는 언어 번역 프로그램과 편집기,자료집 같은 프로그램이있다

응용 소프트웨어

응용소프트 웨어는 특정업무를 하기위해 만들어진 프로그램으로 응용범위에 따라 일반 분야에 사용할수있도록 만들어지는 패키지 프로그램과 특정한 사용자의 요구에 따라 제작되는 사용자 프로그램이있다

프로그래밍 언어

컴퓨터는 사람과는 다르게 0과1로 언어체계를 가지는데 서로의 언어를 이해할 수 있는 약속된 형태의 언어로 바꾸는 것을 말한다

컴퓨터의 동작

컴퓨터의 동작은 절차에 따르면 입력,연산,제어,기억,출력 등 기본적인 5가지의 기능이 유기적으로 동작하면서 작업을 처리한다 

동작원리

1.외부의 정보를 입력 장치를 통해 컴퓨터 내부에서 처리할수있는 형태로 변환되어 입력된다

2.입력장치를 통해 입력된 정보는 실행을 위해 주기억 장치 내외 지정된 공간에 저장된다

3.중앙 처리 장치(CPU)가 주기억 장치에 있는 명령어를 차례대로 불러와 해석한다.

4.중앙 처리 장치는 해석된 명령어에 따라 연산작업을 차례대로 진행한다.

5.각 단계별로 추가로 정보를 입력하거나 반복하는 연산과정을 거쳐 최종적으로 나온 결과를 지정된 기억장치에 저장하거나 출력 장치를 통해 사람이 이해할수있는 가상의 형태(출력장치)로 출력한다

컴퓨팅 시스템 동작 원리에 대한 이해

           중앙 처리 장치
                 |
입력 장치 - 주 기억 장치 - 출력 장치   
                 |
             보조 기억 장치
(사진을 첨부하려 했으나, 저작권 법에 걸려 글로 대체된 점 양해 부탁 드립니다.)

동작과정

컴퓨터가 켜지는과정:전원버튼을 누르면 전원 공급 장치가 외부의 전압을 컴퓨터 시스템에서 사용 할수있는 전압으로 바꾸어 공급한다. 정상적인 전압이 공급되면 메인 보드에 있는 타이머 칩으로 리셋 신호를 보낸다

CPU동작의 과정:리셋 신호를 보내는 타이머칩은 CPU에 보내던 리셋 신호를 중지하고 CPU에 새로운 작업을 하기위해 남아있던 필요없는 정보들을 제거한다.

바이오스의 동작과정

바이오스란 운영 체제 가운데 컴퓨터의 입출력을 담당하는 소프트웨어로써 사용자가 컴퓨터를 켜면 시작되는 프로그램이다, 주변 장치와 컴퓨터 운영 체제 사이의 데이터 흐름을 관리한다.

CPU는 하드웨어 입출력을 제어하는 기본적인 프로그램이 들어 있느 바이오스에 있는 명령을 차례대로 수행한다.

시스템 버스 점검 과정

CPU와 주기억 장치 사이에 데이터 전송을 위해 연결되어 있는 회로에 신호를 정상적으로 작동하고있는지 확인한다. 장치점검 과정

메인보드에 장착된 장치와 연결된 장치들의 문제 유무를 점검하여 화면으로 출력한다 순서는 그래픽카드,RAM,CD-ROM,하드디스크 순으로 점검하며 모든 장치가 정상적으로 작동하는지 확인되면 사용자가 컴퓨터를 이용할수있게 해준다.