[CA 01] 개요 & 데이터 & 명령어

 

[ 개론 ] 

 

- 컴퓨터 구조를 알아야 하는 이유

 우리는 컴퓨터의 구성 요소와 작동 원리를 몰라도 프로그래밍 언어의 문법만 알면 프로그램을 개발하고 실행하는데 문제가 없다. 근데 컴퓨터 구조는 우리가 꼭 알아야 하는 지식인데 그 이유는 다음과 같다.

 

 

1) 문제 해결

 프로그래밍 강의 혹은 책의 내용을 그대로 코딩했는데 돌아가지 않는 경우가 있다. 꽤 많은 경우 발생하는데 이런 상황에서 여러분은 어떻게 하는가? 만약 개발할 때 문제 없이 작동했던 코드가 실제 사용자들에게 선보이는 자리에서 작동하지 않는다면? 프로그래밍 문법만 알고 있는 사람에게는 컴퓨터란 코드를 입력하면 알아서 결과물만 뱉는 미지의 대상이나 다름없다. 컴퓨터 구조를 이해하고 있다면 문제 상황을 빠르게 진단 가능하고, 문제 해결의 실마리를 다양하게 찾을 수 있다. 그리고 더 좋은 해결책, 코드를 찾으려고 할 수 있다. 미지의 대상인 아닌 분석의 대상이 되는 것이다. 그래서 실제로 채용 공고에 컴퓨터 구조, 운영체제에 대한 지식을 요구하는 모습을 많이 볼 수 있다.

 

2) 성능, 용량, 비용

 우리가 만드는 게임을 유저에게 보여주기 위해서 필요한 것은 무엇일까? 서버 컴퓨터다. 서버 컴퓨터도 컴퓨터니까 CPU, 메모리 그에 따른 성능과 용량, 비용이 다양하다. 무조건 저렴한 것이 좋을까? 이런 문제는 보통 서버 프로그래머가 결정하게 되는데 여러 가지 조건을 비교해 사게 된다. 서버 뿐만 아니라 저장 장치에서도 이런 문제를 마주할 수 있는데, 프로그램을 개발한다면 이 프로그램이 어떤 환경에서 어떻게 돌아가는지 우리가 가장 잘 알아야 하고, 프로그램을 위한 최적의 컴퓨터 환경을 스스로 판단할 수 있어야 한다.

 

 

- 컴퓨터 구조의 큰 그림

 컴퓨터 구조는 크게 두 가지다. 컴퓨터가 이해하는 정보와 컴퓨터의 네 가지 핵심 부품.

 

1) 컴퓨터가 이해하는 정보

 컴퓨터는 뭐로만 된 정보를 이해할 수 있는가? 0과 1로 표현된 정보만 이해가 가능하다. 0과 1로만 표현되는 정보에는 크게 두 가지 종류가 있는데 '데이터'와 '명령어'다. 둘 중에 뭐가 더 친숙한가? 그게 의미하는 것이 무엇인가? 데이터(Data)는 컴퓨터가 이해하는 숫자, 문자, 이미지 등과 같은 정적인 정보를 의미한다. 우리는 앞으로 데이터가 어떻게 표현되는지 알아볼 것이다. 그 다음엔 명령어에 대해 알아볼 것인데 자 컴퓨터를 한 마디로 정의해보자고 한다면 무엇이라 답변할 것인가? 이 책의 필자는 "컴퓨터는 명령어를 처리하는 기계입니다"라고 답할 것이라고 한다.

 데이터와 명령어 중 실질적으로 컴퓨터를 작동시키는 애는 명령어라고 할 수 있다. 데이터가 아무것도 할 수 없는 정보 덩어리라면 명령어(Instruction)는 데이터를 움직이고 컴퓨터를 작동시키는 정보이기 때문이다. 이 명령어에 대해서도 자세히 다룰 것이다.

 

2) 컴퓨터의 4가지 핵심 부품

 일상에는 작은 컴퓨터, 스마트폰, 노트북, 서버 컴퓨터 등 여러 컴퓨터가 존재한다. 용도와 외관을 막론하고 컴퓨터를 이루는 핵심 부품은 변하지 않는다.

 

 - 중앙처리장치(CPU)

 - 주기억장치(메모리)

  RAM과 ROM이 있는데 보통 RAM을 지칭한다. 

 - 보조기억장치

 - 입출력장치

 

간단하게 이 부품들을 그려보도록 하자.

 

* 가장 큰 사각형은 메인 보드이다.

* 메인보드 안에 시스템 버스 (양방향 수직 화살표)가 있다.

* CPU 내부에는 ALU(산술논리연산장치), 제어장치와 여러 레지스터가 있다. CPU는 메인보드 내 시스템 버스와 연결되어 있다.

* 메모리는 메인 보드 내 시스템 버스와 연결되어 있다.

* 보조기억장치는 메인보드 내 시스템 버스와 연결되어 있다.

* 모니터, 키보드, 마우스 등의 입출력 장치는 메인 보드 내 시스템 버스와 연결되어 있다.

 

 

- 메모리

 메모리는 현재 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장하는 부품이다. 즉 프로그램이 실행되러면 반드시 메모리에 적재되어야 한다. 다른 말로 하면 컴파일이 완료된 프로그램 코드가 올라가서 실행되는 영역. 컴퓨터가 빠르게 작동하기 위해선 메모리 속 명령어와 데이터가 중구난방으로 저장되어 있으면? 안된다. 따라서 메모리에 저장된 값에 빠르게 접근하기 위해 어떤 개념을 사용할까? 우리가 자주 보는 "주소(address)"다. 실제로는 모두 0과 1로만 표현되기에 모두 데이터를 저장한 것처럼 보인다. 메모리에 대해서도 3주차에 배울 예정이니 이 세 가지만 기억하도록 하자.

프로그램이 실행되기 위해서 반드시 메모리에 적재되어야 한다.

메모리는 현재 실행되는 프로그램의 명렁어와 데이터를 저장한다.

메모리에 저장된 값의 위치는 주소로 알 수 있다.

 

 

- CPU

 컴퓨터의 두뇌와 다름 없는 녀석이라 하는데 전공자라면 더 구체적으로 알고 있어야 함. 메모리에 저장된 명령어를 읽고, 읽은 명령어를 해석하고, 실행하는 부품이다. CPU의 역할과 작동 원리를 알려면 CPU 내부 구성 요소를 알아야 한다. 뭐가 있지? 

 

 * ALU : 계산기. 계산을 위해 존재하며 컴퓨터 내부에서 수행되는 대부분의 계산을 도맡아서 수행함.

 * 레지스터 : 프로그램을 실행하면 메모리에 적재된다고 했다. 필요한 정보가 메모리에 있다는 사실은 CPU 입장에서는 멀까? 멀지 않을까? 멀다. 그래서 CPU 내부에 작은 임시 저장 장치가 존재한다. 이들은 프로그램에서 필요한 값들을 임시로 저장하는데 여러 개가 존재한다.

* 제어장치 : 제어 신호(control signal)라는 전기 신호를 내보내 명령어를 해석하는 장치이다. 제어 신호란 컴퓨터 부품을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호다. 나중에 더 자세히 다룰 예정이니 지금은 아래와 같은 내용만 기억하자.

 

CPU가 메모리에 저장된 값을 읽고 싶을 땐 메모리를 향해 메모리 읽기라는 제어 신호를 보낸다.

CPU가 메모리에 어떤 값을 저장하고 싶을 땐 메모리를 향해 메모리 쓰기라는 제어 신호를 보낸다.

 

CPU는 메모리에 저장된 값을 읽고, 해석하고, 실행하는 장치다.

CPU 내부에는 ALU, 레지스터, 제어장치가 있다.

ALU는 계산하는 장치, 레지스터는 임시 저장 장치, 제어장치는 제어 신호를 발생시키고 명령어를 해석하는 장치다.

 

간략하게 작동 방식을 설명한다...

 

 

- 보조 기억 장치

 메모리는 두 가지 약점이 있다. 첫 번째는 가격이 비싸 저장 용량이 적다는 점. 두 번째는 전원이 꺼지면 저장된 내용을 읽는다는 점. 전원이 꺼져서 내가 작성했던 문서가 날아본 기억이 있는가? 이는 실행되던 프로그램이 메모리에 저장되는데 전원이 꺼지며 메모리에 있던 내용이 날라가서 그렇다.

 따라서 메모리보다 크기가 크고 전원이 꺼져도 저장된 내용을 잃지 않는 메모리를 보조할 저장 장치가 필요하게 되었는데 이가 보조기억장치이다. 하드디스크, SSD, USB, DVD 등이 있다. 메모리가 실행될 프로그램을 저장한다면 보조기억장치는 보관될 프로그램을 저장한다고 생각하면 된다.

 

 

- 입출력장치

 이들은 컴퓨터 외부에 연결되어 컴퓨터 내부와 정보를 교환하는 장치를 의미한다. 그러면 보조 기억 장치도 입출력장치라고 할 수 있지 않나? 맞다. 보조기억장치는 보는 관점에 따라 입출력장치의 일종으로 볼 수 있고, 실제로 '주변장치'라고 통칭하기도 한다. 하지만 보조기억장치는 모니터, 마우스, 키보드 같이 일반적인 입출력장치에 비해 메모리를 보조한다는 특별한 기능을 수행한다.

 

 

- 메인보드와 시스템 버스

 지금까지 설명한 컴퓨터의 핵심 부품은 모두 메인보드라는 판에 연결된다. 메인보드는 마더보드라고 부르기도 하는데 이는 여러 컴퓨터를 부착할 수 있는 슬롯과 여러 단자가 존재한다. 또한 연결된 부품끼리 서로 정보를 주고 받을 수 있게 되어 있는데 이게 메인보드 내부에 버스(Bus)가 있기 때문이다. 버스는 통로인데, 네 가지 핵심 부품을 연결하는 가장 중요한 버스가 시스템 버스이다. 

 앞서 작동 방식을 좀 더 자세하게 들여다 보자. 

 

 

우리가 앞으로 배울 내용이 좀 한 눈에 들어오는가?

 

 

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[ 데이터 ]

 

- 정보 단위

 우선 컴퓨터가 이해하는 가장 작은 정보 단위는 0과 1이다. 이는 비트(bit)라고 하는데 전구에 빗대어 생각하면 쉽다. 2개의 비트로 표현할 수 있는 정보는 4가지. 3비트는? 8가지. 즉 n 비트로 표현 가능한 정보는 2의 n만큼이라고 할 수 있겠다. 근데 우리가 프로그램 용량을 말할 때 "이 파일은 890만 비트야" 이렇게 하지 않죠? 프로그램의 크기는 클 수 밖에 없기 때문에 더 큰 단위가 필요합니다. 우선 바이트(byte)는 8개의 비트를 묶은 단위로, 비트보다 한 단계 위다. 앞으로 우리가 수업시간에 교수님들이 자주 말하는 바이트가 이에 해당된다. 이 다음 단계로는 킬로바이트, 메가바이트, 기가바이트, 테라바이트가 존재하는데 전 단계 애들을 1000개씩 묶었다고 생각하면 된다.

 

 

- 이진법

 0과 1로만 표현하는 방법을 이진법, 영어로? binary라고 한다. 이진수를 그냥 표현하면 십진수와 헷갈리기에 별도 표기를 하는데 아래 첨자 (2)를 붙이거나 이진수 앞에 0b를 붙인다. 보통 전자가 수학적 표기, 후자가 코드 상의 표기이다. 만약 음수라면 이는 컴퓨터에서 어떻게 표현되는가? 가장 널리 사용되는 방법은 2의 보수이다. 사전적 의미는 어떤 수를 그보다 큰 2^n에서 뺀 값을 의미한다. 11(2)의 보수는 11(2)보다 큰 2^n, 즉 100(2)에서 11(2)을 뺀 01(2)이 되는 것이다. 보통은 0과 1을 모두 뒤집고 1을 더해주면 된다. 예를 들어 1011(2)을 음수로 표현하면 0100 + 1 = 0101 이다.

 그렇다면 궁금하나가 나오지 않나? 컴퓨터에서 1011을 보고 얘가 음수인지 양수인지 어떻게 알까? 컴퓨터도 딱 봤을 때 구분하기 어려워서 내부적으로 이 수가 양수인지 음수인지 구분하기 위해 플래그(flag)을 사용한다. 부가 정보이다. 플래그에 대해서는 다음 시간에 더 자세하게 알아보도록 하고 넘어가도록 하겠다.

 

 

- 십육진법

 이진법을 이용해 모든 숫자를 표현할 수 있었는데 모든 숫자 정보를 표현하려다 보니 단점이 발생했다. 너무 길어진다는 점이다. 32를 이진수로 표현하면 1000000(2). 따라서 십육진법을 사용하게 되는데 15는 넘어가는 시점(F)에서 자리 올림하는 표현 방식이다. 아래 첨자 (16)을 붙이거나 0x를 붙여 표현한다.

 

변환 방식은 알아서 찾아보는 걸로

 

 

- 문자 집합과 인코딩, 디코딩

 컴퓨터가 인식하고 표현할 수 있는 문자의 모음이자 약속을 문자 집합(문자셋)이라고 한다. 컴퓨터는 문자 집합 속에 있는 문자를 이해할 수 있고, 반대로 문자 집합 속에 속해지 있지 않은 문자는 이해할 수 없다. 문자 집합이 만약 a, b, c, d만 있다면 이를 제외하고는 이해할 수 없다는 이야기다.

 문자 집합에 속한 문자라고 해서 컴퓨터가 그대로 이해할 수 있는가? 아니다. 문자를 0과 1로 변환해야 비로소 컴퓨터가 이해할 수 있는데 이 변환 과정을 문자 인코딩이라고 한다. 반대로 0과 1로 이루어진 문자 코드를 사람이 이해할 수 있는 문자로 변환하는 과정을 디코딩이라고 한다.

 

 

- 가장 대표적인 문자셋

 대표적인 문자셋은 아스키코드(ASCII CODE)랑 유니코드(UNICODE) 두 가지가 있다. 아스키코드는 뭐지? 미국에서 정의하고 있는 표준으로 알파벳 개수가 26개고 확장 문자를 포함해서도 그 개수가 256개를 넘지 않지. 그래서 1바이트를 가지고도 충분히 표현할 수 있다. (2^8) 다시 말해 아스키코드는 1바이트로 표현이 된다라는 의미다.

 문제는 영어권이 아니라 다른 나라에서 사용하는 문자 표현 방식이다. 우리나라를 예로 들면 한글을 컴퓨터에 인식 시키려면 어떻게 해야할까? 글자 하나하나마다 값, 숫자를 지정해줘야 함. 그런데 아스키코드를 쓸 수 있는가? 없음. 그래서 등장한게 유니코드다. 유니코드는 모든 글자를 표현하는데 균일하게 2바이트를 사용하기에 얘로 표현 가능한 문자의 종류가 6만 5천개가 넘는다.

 

 

- 문자셋 종류

 

 

 1) SBCS (Single Byte Character Set) 기반 문자열

  : 말 그대로 문자를 표현할 때 1바이트만을 사용하는 방식. 앞서 말했던 아스키코드가 여기에 해당됨.

 

 2) MBCS (Multi Byte Character Set) 기반 문자열 

  : 이름이 의미하듯 동일한 바이트가 아니라 다양한 바이트 수를 이용해서 표현하는 방식. 어떤 문자는 1바이트, 또 어떤 문자는 2바이트로 표현됨. 유니코드가 여기일 수 있다고 많이 착각하는데 아니다. 이 MBCS는 SBCS를 포함하기 때문이야. 아스키코드에서 대부분의 문자는 1바이트로 표현하되 아스키코드로 정의하지 않는 다른 문자는 2바이트로 처리됨. 되게 효율적으로 생각할 수 있지만 얘는 프로그래밍 할 때 문제점을 발생할 여지가 있어서 개발할 때 주의를 기울여야 함.

 

 3) WBCS (Wide Byte Character Set) 기반 문자열

  : 유니코드가 여기에 해당. 모든 문자가 2바이트로 처리되는 방법.

 

 WBCS 기반 프로그래밍을 하기 위해서 몇 개 신경쓸게 있다.

- char대신 wchar_t : char은 1바이트 할당, wchar_t는 2바이트 할당

- "ABC"를 대신하는 L"ABC" 

 wchar_t str[] = "ABC";
 
 // 배열 str은 유니코드 문자열을 저장할 준비가 되어있는데
 // 대입 연산자 오른쪽에 있는 문자열은 여전히 MBCS 기반 문자열이기에 오류
 // 유니코드 기반임을 표현해야 함 -> L

 

- 이외의 SBCS 함수 (strlen, strcpy, strncpy, strcat 등)도 WBCS 기반 문자열 조작 함수로 바꿔 사용해야 한다.

 

 

- MBCS와 WBCS의 동시 지원

 프로그램 구현에 있어 어떤 것을 기반으로 해야 할지 어려울 때가 많다. WBCS 기반으로 하는게 좋을 듯 하지만 현존하는 시스템 모두가 완벽히 유니코드 기반을 지원하는 것이 아니기 때문에 오류가 발생할 소지가 높기 때문이다. 근데 두 가지로 나눠 구현하는 것은 너무 번거롭다. 그래서 이 두 가지가 모두 돌아갈 수 있는 형태라면 어떨까?

 

- #include <windows.h>

: 윈도우 기반 프로그래밍에서 무조건 있어야 하는 헤더 파일. 이제 설명할 CHAR와 WCHAR가 여기에 정의되어 있다. 여기 부분은 수업시간에 설명하겠다.