컴퓨터의 구조

[김경익(3학년 기획국장)]

제가 블로그 포스팅 목적으로 찾아서 정리해놓았던 내용입니다.

컴퓨터의이해 - IT와 경영정보시스템에 도움이 될 것 같아 업로드합니다.

본체

컴퓨터 케이스

컴퓨터 케이스(영어: computer case)는 컴퓨터의 주요 부품들을 둘러싸는 부분을 말한다. 컴퓨터 채시스(computer chassis), 타워(tower), 시스템 유닛(system unit), 캐비넷(cabinet)이라고도 부른다. 모니터와 분리된 케이스가 일반적이지만 모니터와 하나가 된 케이스도 존재한다. 대한민국에서는 컴퓨터 케이스라는 용어 대신 본체(本體)라고 표현하는 경우가 대부분이다.

CPU

중앙 처리 장치(中央處理裝置) 또는 CPU(영어: central processing unit)는 컴퓨터 시스템을 통제하고 프로그램의 연산을 실행하고 처리하는 가장 핵심적인 컴퓨터의 제어 장치, 혹은 그 기능을 내장한 칩을 말한다. 컴퓨터 안의 중앙 처리 장치(CPU)는 외부에서 정보를 입력 받고, 기억하고, 컴퓨터 프로그램의 명령어를 해석하여 연산하고, 외부로 출력하는 역할을 한다. 따라서 중앙 처리 장치(CPU)는 컴퓨터 부품과 정보를 교환하면서 컴퓨터 시스템 전체를 제어하는 장치로, 모든 컴퓨터의 작동과정이 중앙 처리 장치(CPU)의 제어를 받기 때문에 컴퓨터의 두뇌에 해당한다고 할 수 있다. 실제의 CPU 칩엔 실행 부분뿐만 아니라 캐시 등의 부가 장치가 통합된 경우가 많다.

CPU에는 MCU(Micro Control Unit)와 주변 장치(외부 확장 장체에 관한 IC)가 다 들어있는 Soc(System On Chip)가 있다. 주변 IC가 따로 달려 있을 경우, 그것은 MCU라고 할 수 있다.

CPU는 기계어로 쓰인 컴퓨터 프로그램의 명령어를 해석하여 실행한다. CPU는 프로그램에 따라 외부에서 정보를 입력받아,이를 기억하고, 연산하며, 결과를 외부로 출력한다. CPU는 컴퓨터 부품과 정보를 교환하면서 컴퓨터 전체의 동작을 제어한다.

기본 구성으로는 CPU에서 처리할 명령어를 저장하는 역할을 하는 프로세서 레지스터, 비교, 판단, 연산을 담당하는 산술논리연산장치(ALU), 명령어의 해석과 올바른 실행을 위하여 CPU를 내부적으로 제어하는 제어부(control unit)와 내부 버스 등이 있다.

각종 전자 부품과 반도체 칩을 하나의 작은 칩에 내장한 전자 부품을 마이크로프로세서라고 한다. 마이크로프로세서는 전기 밥통에 쓰이는 낮은 성능의 제품부터 컴퓨터에 쓰이는 높은 성능의 제품까지 매우 다양하다. 마이크로프로세서들 가운데 가장 복잡하고 성능이 높은 제품은 컴퓨터의 연산 장치로 쓰인다. 이것을 중앙 처리 장치라고 한다.

HDD

하드 디스크 드라이브(Hard disk drive, HDD), 하드 디스크(hard disk), 하드 드라이브(hard drive), 고정 디스크(fixed disk)는 비휘발성, 순차접근이 가능한 컴퓨터의 보조 기억 장치이다. 보호 케이스 안에 있는 플래터를 회전시켜, 이것에 자기 패턴으로 정보를 기록한다. 여기서 이 플래터를 구동하는 장치가 스핀들 모터로 이루어진 것이 특징이다. 데이터는 플래터 표면에 코팅된 자성체에 기록되며, 회전하는 플래터 위에 부상하는 입출력 헤드에 의해 자기적으로 데이터를 쓰고 읽을 수 있다.

SSD

솔리드 스테이트 드라이브(solid-state drive, SSD) 또는 솔리드 스테이트 디스크(solid state disk[1][2][3])는 반도체를 이용하여 정보를 저장하는 장치이다. 솔리드 스테이트 드라이브는 순수 전자식으로 작동하므로 기계식인 하드 디스크 드라이브(HDD)의 문제인 긴 탐색 시간, 반응 시간, 기계적 지연, 실패율, 소음을 크게 줄여 준다. 반면에 DRAM이 아닌 플래시 메모리가 적용된 SSD의 경우, 데이터 접근 시간이 아닌 연속적인 읽기와 쓰기에 대해 하드 디스크보다 속도가 낮은 경우가 대부분이었다. 하지만 최신 기술이 적용된 SSD의 경우, 대부분 하드 디스크 드라이브 이상의 읽기와 쓰기 속도를 낸다.

하이브리드 드라이브

하이브리드 드라이브(Hybrid drive)는 버퍼가 큰 컴퓨터 디스크 드라이브의 한 형태이다. 하이브리드 하드 드라이브(HHD)라고도 한다. 표준 드라이브와의 차이점은 용량이 큰 비휘발성 플래시 메모리를 이용하고 있다는 것에 있다. 이로써 일반 용도에서 데이터를 캐시로 처리할 수 있다. 일반 하드 드라이브의 플래터는 계속 회전하는 반면 비휘발성 데이터 기억 장치의 대용량 버퍼를 사용함으로써 하드 드라이브의 플래터는 대부분의 시간에 유휴 상태에 있을 수 있다. 수많은 이익이 있는데, 주로 빠른 속도를 들 수 있고, 전력 소비를 낮추며, 신뢰성을 개선하고 더 빠른 시동 과정을 거칠 수 있게 한다.

하이브리드 드라이브는 2007년 초에 노트북 컴퓨터를 중심으로 처음 개발되었다. 삼성이 처음 새로운 드라이브를 시장에 내 놓았고 최초의 하이브리드 드라이브를 2007년 3월에 OEM에 공개하였다.

잠시 동안, 윈도 비스타 운영 체제와 완전히 호환되는 것으로 알려져 있고, 마이크로소프트는 레디드라이브라는 이름을 사용하여 이러한 기술에 대한 소프트웨어의 측면을 서술하고 있다.

명령 인터페이스는 8 번째 버전의 ATA로 표준화되어 있다.

메인보드

메인보드(mainboard) 또는 마더보드(motherboard), 주 회로 기판(main circuit board, 메인 서킷 보드), 주 기판(base board, 베이스 보드) 또는 플레이너 보드(planar board)는 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. 애플의 매킨토시나 아이폰등에서는 로직 보드(logic board)라는 이름으로 불리기도 한다. PC용 마더보드는 주로 사운드카드, 네트워크 카드를 내장하고 있는 경우가 많으며, 용도에 따라서는 CPU, 램, 저장장치까지 마더보드에 내장되어 있는 경우도 있다.

네트워크 인터페이스 컨트롤러

네트워크 인터페이스 컨트롤러(network interface controller, NIC)는 컴퓨터를 네트워크에 연결하여 통신하기 위해 사용하는 하드웨어 장치이다. 네트워크 카드(network card), 랜 카드(문화어: 망카드, 망기판, LAN card), 물리 네트워크 인터페이스(physical network interface)라고 하며, 네트워크 인터페이스 카드, 네트워크 어댑터, 네트워크 카드, 이더넷 카드 등으로도 부른다. OSI 계층 1(물리 계층)과 계층 2(데이터 링크 계층) 장치를 가지는데, 맥 주소를 사용하여 낮은 수준의 주소 할당 시스템을 제공하고 네트워크 매개체로 물리적인 접근을 가능하게 한다. 사용자들이 케이블을 연결하거나 무선으로 연결하여 네트워크에 접속할 수 있다.

"두 장의 카드"를 사용하여 같은 주소를 공유하던 사례는 없다. IEEE 표준에 근거한 것인데, 고유의 맥 주소를 네트워크 인터페이스 콘트롤러의 제조업체에게 할당하는 책임을 진다.

노벨, 3COM (마벨), 인텔, 리얼텍 등이 네트워크 카드 제조 업체로 잘 알려져 있다.

전원 공급 장치 (컴퓨터)

전원 공급 장치(Power supply unit)는 전원 공급 장치의 하위 분류로, 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.(영문 약자 PSU)

컴퓨터에 사용되는 부품들은 12V, 5V, 3.3V 등의 특정한 직류 전압을 필요로 하므로 전원 공급 장치는 입력전원인 220V 교류 전원으로부터 이들 전압에 해당하는 직류 전원으로 변환하는 것이 기본적인 목표가 된다.

랜덤 액세스 메모리

컴퓨터에서 랜덤 액세스 메모리(영어: Random Access Memory, Rapid Access Memory, 임의 접근 기억 장치, 문화어: 자유기억기, 읽기쓰기기억기, 자유접근기억기) 즉 램(RAM)은 임의의 영역에 접근하여 읽고 쓰기가 가능한 주기억 장치이다. 반도체 회로로 구성되어 있다. 흔히 RAM을 ‘읽고 쓸 수 있는 메모리’라는 뜻으로 알고 있는데, 이것은 오해다. RAM은 어느 위치에 저장된 데이터든지 접근(읽기 및 쓰기)하는 데 동일한 시간이 걸리는 메모리이기에 ‘랜덤(Random, 무작위)’이라는 명칭이 주어진다. 반면 하드 디스크, 플로피 디스크 등의 자기 디스크나 자기 테이프는 저장된 위치에 따라 접근하는 데 걸리는 시간이 다르다.

팩스 모뎀

팩스 모뎀(fax modem)은 컴퓨터가 전화선을 통해 팩시밀리로 문서를 송수신할 수 있게 도와주는 기기이다. 팩스 모뎀은 데이터 모뎀과 비슷하지만 팩스 머신이나 다른 팩스 모뎀을 통해 문서를 주고받을 수 있도록 설계되어 있다. 그러나 모든 팩스 모뎀이 그러한 것은 아니지만 일부는 데이터 모뎀의 역할도 수행할 수 있다. 다른 모뎀처럼 팩스 모뎀들은 내부에 장착하거나 외부 형태인 경우일 수도 있다. 내장 팩스 모뎀들은 팩스 보드(fax board)라고도 한다.

1990년대 초에 중소기업 PC들은 일반적으로 PC 기반의 팩스/모뎀 카드와 팩스 소프트웨어(보통 윈팩스 프로)를 갗주고 있었다. 크게는 전자우편에 대체된, 팩스/모뎀 기능을 갖춘 PC 기반 팩스 기능은 세기가 지나면서 사라져갔다. PC로부터의 팩스 기능이 필요한 곳에서는 그 대안이 되는 수많은 인터넷 기반 팩스 송신 기능이 있다.

확장 카드

단자에 추가할 수 있는 인쇄 회로 기판이다.

확장 버스(expansion bus)는 컴퓨터 시스템의 내부 하드웨어(CPU 및 램 포함)와 주변기기 간에 정보를 전달하는 컴퓨터 버스이다. 이것은 컴퓨터의 확장을 허용하는 선과 프로토콜의 모임이다.

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입력 장치

키보드

컴퓨터자판(컴퓨터字板, 문화어: 콤퓨터건반), 글쇠틀, 또는, 컴퓨터키보드(영어: computer keyboard)는 컴퓨터의 대표적인 입력장치이다. 일반적인 자판은 글쇠(문화어: 건))라 불리는 단추를 자판 배열에 따라 늘어놓은 형태를 띤다. 글쇠를 눌러 문자, 또는 그 구성요소를 컴퓨터에 입력할수 있으며, Control 키와 같은 특수글쇠와 다른글쇠를 조합하여 컴퓨터의 특정기능을 실행할 수도 있다.

스캐너

스캐너(scanner, 문화어: 주사장치, 화상입력장치)는 그림이나 사진을 읽는 컴퓨터 입력 장치를 말한다. 개인용으로는 플랫베드 스캐너를 쓰거나 복합 사무기의 스캐너를 사용한다. 하지만, 도록(그림을 모은 책)이나 백과사전 제작처럼 선명한 그림이나 사진이 필요한 작업에는 세심한 드럼스캐너(Drum-Scanner)를 사용한다.

요즘은 USB 인터페이스를 사용하기 때문에, 매킨토시와 개인용 컴퓨터 모두에 사용할 수 있다는 장점이 있다.

그밖에 SCSI 인터페이스나 전용 인터페이스를 사용하는 경우도 있다.

마우스

마우스(mouse)는 평면 위에서 2차원 움직임을 인식할 수 있도록 한 컴퓨터 입력장치이다. 손에 잡히는 정도의 크기의 마우스를 손으로 움직이면 컴퓨터 화면상의 화살표가 같은 방향으로 움직이며, 마우스에 달린 단추를 한 번 누르거나, 연속으로 두 번 누르면 화살표가 가리키는 위치에 따라 여러 가지 동작을 실행시키는 식으로 입력 기능을 수행한다.

마우스 본체의 움직임은 볼이나 적외선을 이용한 센서로 감지된다. 마우스의 종류로는 기계식 마우스, 광학식 마우스, 레이저 마우스 등으로 나눌 수 있다. 1984년 애플의 매킨토시 컴퓨터를 통해 대량 보급되었다. 매킨토시의 마우스 버튼은 한 개였지만, 그 이후의 마우스는 버튼이 3개였다. 마침내 애플도 마이티 마우스라는 이름으로 3개의 버튼을 가진 마우스를 내놨다. 컴퓨터 이용 시 마우스는 가장 필요한 도구 중 하나로서 마우스는 ‘컴퓨터의 팔’로 불리기도 한다.

마우스의 감도를 보이는 단위는 미키로, 1/100 인치를 1 미키로 삼는다.

웹캠

웹캠(영어: webcam)은 개인용 컴퓨터에 다는 화상 회의 및 화상 채팅용 카메라이다. USB, 이더넷, 와이파이 등을 통해 컴퓨터나 컴퓨터 네트워크로 실시간으로 이미지를 공급한다.

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출력 장치

프린터

프린터(영어: printer, 순화 용어: 인쇄기)는 그것이 연결된 컴퓨터에 저장된 데이터의 하드 카피(복사본, 보통 종이에 인쇄되는 텍스트 혹은 그래픽)를 만드는 컴퓨터 출력 장치이다. 대한민국에서는 프린터기라는 말도 쓰이지만 "프린터"라는 용어 자체가 "인쇄하는 기계"라는 뜻이 되므로 이는 잘못된 표현이다. 과거 전사 프린터, 도트 매트릭스 프린터 등이 쓰였으나, 현재는 잉크젯 프린터, 레이저 프린터가 널리 쓰인다. 한편, 넓은 의미에서는 PDF 프린터와 같은 종이 인쇄 출력물이 아닌 전자문서 출력물을 출력하는 가상의 프린터 에뮬레이터도 프린터의 정의에 포함된다.

모니터

모니터(영어: monitor) 또는 디스플레이(display)는 컴퓨터 등의 기기에서 출력되는 정지영상 또는 동영상의 영상 신호를 그림 형식(pictorial form)으로 표시하는 출력 장치(디스플레이 장치)이다. 컴퓨터 디스플레이 장치는 보통 음극선관 또는 액정 디스플레이 평판 패널이 쓰인다. 모니터는 디스플레이 장치, 컴퓨터가 보내는 전기적 신호에서 그림을 만들어 내는 회로, 케이스로 구성되어 있다. 컴퓨터 안에서 없어서는 안 되는 플러그인 인터페이스 부분이며, 내부 데이터를 모니터와 호환되는 포맷으로 변환하는 회로가 있다.

현대의 컴퓨터 모니터들은 전통적인 텔레비전 수상기의 대용으로 사용할 수 있다. 그러나 컴퓨터 모니터들은 텔레비전 튜너나 스피커와 같은 부품들이 필수적이지 않으며 외부 부품 없이 컴퓨터 모니터를 텔레비전으로 사용하는 것이 불가능할 수 있다.

관련기술

음극선관

최초의 컴퓨터 모니터들은 음극선관(CRT)를 사용하였다. 1970년대 가정용 컴퓨터의 등장 이전에는 CRT를 사용하는 VDT(비디오 디스플레이 터미널)을 시스템의 키보드와 다른 부품들과 물리적으로 연동시키는 것이 일반적이었다. 이 디스플레이는 모노크롬이었으며 현대의 평면 모니터보다 선명도가 훨씬 더 떨어졌는데 상대적으로 큰 크기의 글자를 사용하여야 했고 이로 인해 한 번에 표시할 수 있는 정보의 약이 상당히 제한되었다. 고해상도 CRT 디스플레이는 특수 군사용, 산업용, 과학용으로 개발되었으나 범용 목적으로는 비용이 많이 들었다.

액정 디스플레이

액정 디스플레이(LCD)를 구현하기 위해 사용된는 기술들이 여럿 있다. 1990년대에 LCD 기술을 컴퓨터 모니터로 노트북에 주로 사용되었으며 여기에서 LCD의 낮은 소비전력, 더 가벼운 무게, 더 작은 물리적 크기가 CRT 대비 더 가격이 높았음에도 정당화되었다.

TFT-LCD는 현재 컴퓨터 모니터에 쓰이는 저명한 LCD 기술의 하나이다.

유기 발광 다이오드

유기 발광 다이오드(OLED) 모니터들은 LCD보다 더 높은 대비와 더 나은 시야각을 제공하지만 흰색 또는 밝은 배경의 문서를 표시할 때 더 많은 전력을 요구한다.

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캐시 메모리

CPU 캐시

대용량의 메인 메모리 접근을 빠르게 하기 위해 CPU 칩 내부나 바로 옆에 탑재하는 작은 메모리이다. 1980년대 이후 대부분의 CPU는 하나, 많게는 5-6개까지의 서로 다른 기능을 가진 CPU 캐시를 장착하고 있다. 메모리 접근 속도가 늘어나는 것에 비해 CPU의 처리 속도가 훨씬 빠르게 늘어나고 있기 때문에, 용량은 작지만 속도가 빠른 CPU 캐시는 현재 마이크로프로세서의 성능에 직접적인 영향을 미친다.

디스크 캐시

디스크 캐시는 디스크 버퍼라고 불리기도 한다. 1980년대 후반 이후 판매되는 대부분의 하드 디스크는 디스크 제어와 외부와의 인터페이스를 위해 작은 컴퓨터를 내장하고 있다. 이 작은 컴퓨터는 대개 디스크에 입출력되는 데이터를 저장하는 작은 메모리를 갖고 있는데, 이를 디스크 캐시라고 한다. 2004년에 판매되는 개인용 컴퓨터에 탑재된 디스크 캐시는 대개 2-32MB 정도의 크기를 갖는다.

디스크 캐시는 여러 가지 용도로 사용된다.

미리 읽기 : 운영 체제에서 디스크에 읽기/쓰기를 요청할 때, 디스크 암은 헤드를 해당하는 트랙에 올려 놓은 뒤 일정 시간이 걸려야 비로소 데이터를 읽을 수 있다. 그러나, 운영 체제는 대개 첫 번째 섹터 말고도 그 이후 섹터를 연이어 요구하는 경우가 많기 때문에 연속된 위치에 대한 반복적 접근 시간을 아끼기 위해 디스크는 뒷부분의 데이터를 미리 읽어서 캐시에 저장해 놓는다.

속도 조절 : 디스크의 입출력 인터페이스는 대개 디스크 플래터가 데이터를 읽어들이는 속도에 비해 훨씬 느리다. 그러므로 디스크 암이 빠르게 읽고 쓰기를 수행하기 위해 데이터를 인터페이스에 넘기기 전에 캐시에 잠시 저장해 놓는다.

쓰기 가속 : 운영 체제가 디스크에 쓰기를 요청했을 때, 디스크 내부의 컴퓨터는 캐시에 데이터를 저장해 놓고 디스크 암이 쓰기를 끝내기도 전에 운영 체제에게 쓰기가 끝났음을 보고할 수 있다. 이렇게 하면 운영 체제는 디스크 쓰기가 끝나는 것을 기다릴 필요 없이 다음 작업을 신속하게 수행할 수 있다. 그러나 이 방법은 디스크 암이 쓰기를 마치기 앞서 전원이 차단되는 일이 일어나면 데이터가 사라지거나 파일 시스템이 망가질 우려가 있어, 쓰기 가속 기법은 논쟁의 대상이 되고 있다. 최신 RAID 컨트롤러는 이 문제를 해결하기 위해 배터리를 이용한 백업 시스템을 구현하기도 하지만, 데이터 정확성을 중요하게 여기는 다른 시스템에서는 쓰기 가속 기법을 사용하지 않는 경우도 있다.

명령 큐 : 최신 시리얼 ATA 디스크와 대부분의 SCSI 디스크는 다른 명령을 수행하고 있는 중에도 여러 개의 명령을 추가로 받을 수 있다. 이 명령 큐는 나중에 처리하기 위해 디스크 캐시에 저장된다. 명령 큐는 쓰기 가속과는 달리, 쓰기가 완전히 끝났을 때 운영 체제에게 그 사실을 알림으로써 파일 시스템의 정확성을 유지한다.

기타 캐시

CPU 캐시는 하드웨어를 통해 관리되고, 그 밖의 다른 캐시들은 대개 소프트웨어적으로 관리된다. 운영 체제의 메인 메모리를 하드 디스크에 복사해 놓는 페이지 캐시는 운영 체제 커널과 파일 시스템을 통해 관리된다. BIND DNS 데몬은 도메인 이름과 IP 주소 사이의 매핑을 저장해 둔다.

신뢰성이 적은 네트워크(이더넷 등)에서, 네트워크 사이에 주고 받는 데이터를 캐시해 놓는 것은 매우 흔한 일이다. 이를테면, 웹 브라우저는 최근 방문한 사이트를 캐시에 저장해 놓는다. 많은 인터넷 제공업체들과 대규모 네트워크의 운영자들은 인기 있는 웹 페이지의 캐시를 프록시 서버에 저장하여 웹 페이지 요청에 응답하게 함으로써 네트워크 대역폭을 아낀다.

구글 검색 엔진은 검색 대상 사이트들의 내용을 캐시에 저장해 검색 엔진에 사용하기도 하고, 검색 결과의 일부로서 사용자들에게 보여 주기도 한다.