[CS] 어떤 것들이 컴퓨터 하드웨어를 구성할까? 컴퓨터 내부 구조

🔊 해당 포스팅은 CS 서적 '한 권으로 읽는 컴퓨터 구조와 프로그래밍'을 읽고 저만의 방식으로 정리, 요약하는 글임을 알립니다. 해당 내용은  '한 권으로 읽는 컴퓨터 구조와 프로그래밍' 서적에 기반하였음을 알립니다.

 

출처: Yes24

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이전 포스팅까지 비트의 특성과 이 비트를 활용하는 방법에 대해 배웠고, 또 비트를 사용하는 이유와 조합 논리, 순차 논리를 활용해서 하드웨어를 구성하는 방법에 대해서도 배워보았다. 이번 포스팅에서는 현대적으로 사용되는 컴퓨터 하드웨어가 어떤 부분으로 구성되어 있는지 알아본다. 

1. 컴퓨터를 구성하는 3가지! 메모리, 입력/출력, CPU

현대적 컴퓨터는 크게 메모리, 입력/출력(I/O라고도 함), CPU(중앙처리장치) 3가지 부분으로 구성되어 있다고 할 수 있다. 이 3가지 요소들은 서로 깊은 관계를 갖고 있는데, 어떤 관계를 갖고 있는지 하나씩 살펴보자.

1-1. 비트를 저장하는 장소, 메모리

컴퓨터에는 조작할 비트들을 저장할 장소가 필요하다. 이러한 장소를 메모리라고 한다. 메모리가 어떻게 구성되는지는 직전 포스팅에서 잠시 배웠었다. 그렇다면 컴퓨터는 메모리를 어떻게 활용하는지 보자.

 

앞으로 소개하는 구성요소들 모두 그렇겠지만 메모리도 CPU와 소통을 한다. 메모리는 집이 빈틈없이 늘어선 거리와 같다. 아래의 그림을 보자.

 

메모리의 길

 

위 그림처럼 메모리라는 공간 안에 똑같은 크기의 집이 존재하고 모든 집에는 정해진 개수만큼 1비트를 저장할 수 있도록 되어 있다. 그리고 각 집에는 위치(주소)가 부여된다. 그런데 각 집의 크기 즉, 메모리의 기본 단위가 위 그림처럼 바이트 단위로만 데이터를 읽는 것은 아니다. 예를 들어서, 32비트 컴퓨터는 보통 메모리를 4바이트(1바이트는 8비트!)를 하나의 덩어리로 처리하고, 64비트는 8바이트를 하나의 덩어리로 처리한다. 그런데 이렇게 $N$바이트를 하나의 덩어리로 처리하는 것이 왜 중요할까?

 

이유는 한 번에 처리할 수 있는 데이터 양의 차이이다. 방금 예시를 들은 32비트 컴퓨터와 64비트 컴퓨터 중에서 어떤 컴퓨터가 한 번에 처리할 수 있는 데이터 양이 많을까? 당연히 64비트 컴퓨터이다. 이유는 32비트 보다 64비트가 표현할 수 있는 데이터의 양이 더 크기 때문이다. 메모리도 마찬가지이다. 책에서는 메모리에서 비트가 많아질 때, 아래 그림처럼 '메모리의 길'의 차선이 더 많아져 더 많은 데이터를 데이터 버스에 실을 수 있게 되고 이는 곧 더 많은 양의 데이터를 처리할 수 있게 된다. 저번 포스팅에서 데이터 버스가 비트를 이동시키는 교통수단의 일종이라고 배웠었다.

 

차선이 여러개인 메모리 길

 

위 그림은 4바이트를 하나의 덩어리로 처리할 수 있는 32비트 컴퓨터의 메모리 길이라고 할 수 있다. 그런데 특이한 점이 바이트 주소 말고도 워드 주소, 긴 워드 주소라는 것이 존재한다. 위 그림으로 예시를 든다면 워드 주소는 바이트 주소가 2개가 모인 것을 하나의 워드 주소라고 하고 바이트 주소가 4개 모인 것을 하나의 긴 워드 주소라고 칭한다. 그리고 메모리의 길도 차선이 늘어난 것을 볼 수 있다. 차선 하나씩 하나의 바이트를 담당하게 된다. 그래서 만약 위 구조에서 0번이라는 긴 워드 주소인 메모리를 불러오게 되면 0,1,2,3번 바이트 주소가 붙어있는 데이터를 한꺼번에 가져오게 된다. 만약 64비트를 위 그림처럼 표현한다면 어떻게 될지 한 번 머릿속이나 연습장에 그림으로 그려보는 것도 좋을 듯 하다.

 

현대적 컴퓨터에서는 위 구조에서 한번에 하나의 집에만 들러서 데이터를 태워서 CPU로 돌아오게 된다. 그런데 약간 불편한 점이 있을 수 있다. 만약 내가 필요한 데이터의 바이트 주소가 2,3,4,5번이라고 한다면 집을 두 번 왔다갔다 해야 한다. 이렇게 서로 다른 집에 있는 데이터를 함께 읽으려고 할 경우를 정렬이 맞지 않는 접근(nonaligned access)라고 부른다.

 

저번 포스팅에서 메모리 중에서도 휘발성인 RAM 메모리, 또 그중에서도 SRAM, DRAM이 있다고 했다. 그리고 비휘발성인 디스크 드라이브도 있다는 것을 배웠다. 어떤 메모리를 사용하느냐에 따라 서로 가격과 성능 비율이 달라진다. 예를 들어, SRAM은 매우 빠른 성능을 자랑하지만 가격이 사악(?)한 단점이 있다. 반면에 디스크 드라이브는 매우 착한 가격이지만 성능이 상대적으로 매우 느리다.

 

그러면 위 그림에서 CPU에서 출발해서 메모리에서 원하는 데이터를 가져와서 전달해주는 '좌석'에는 각각 몇 번째 바이트가 들어갈까? 이는 컴퓨터가 사용하는 프로세서에 따라 달라진다. 이렇게 들어가는 바이트 위치가 다르다는 것을 엔디안(endian)이라는 용어로 부른다. 가장 오른쪽(그림 상으로는 가장 아래쪽) 자리에 0번 바이트가 가는 방식을 리틀 엔디안이라고 하며 인텔 프로세서에 사용된다고 한다. 반대로 가장 왼쪽(그림 상으로는 가장 위쪽)자리에 0번 바이트가 가는 방식을 빅 엔디안이라고 하며 모토로라 프로세서 같은 기계에서 사용한다고 한다.

 

그렇다면 이러한 엔디안을 고려해야 하는 이유가 뭘까? 바로 한 시스템에서 다른 시스템으로 데이터를 전송할 때 고려해야 하기 때문이다. 만약 엔디안을 무시한 채 시스템 간의 데이터를 전송하게 되면 데이터 순서가 뒤섞일 수 있다는 문제가 발생한다.

1-2. 컴퓨터에 정보를 전달하고 컴퓨터로부터 정보를 가져오자, 입력과 출력(Input/Output)

컴퓨터 간에 통신은 절대적으로 필요하다. 우리가 지금 보고 있는 웹 브라우저, 모바일 기기 등 모든 전자기기들은 시스템들 간의 데이터 전송으로 실현된다고도 볼 수 있다. 이렇게 데이터 전송의 역할을 하는 핵심적인 장치가 바로 입력과 출력 장치이다. I/O 장치라고도 하며 컴퓨터 주변부에 위치한다고 해서 주변장치(Peripheral device)라고도 한다. 

 

초창기에는 I/O 장치도 CPU와 소통하기 위해서는 메모리처럼 일종의 거리가 필요했다.(위 그림의 '메모리의 길' 처럼!) 그래서 CPU를 사이에 두고 I/O 장치를 위한 길, 메모리를 위한 길 이렇게 2개가 분리되어 존재했다.

 

옛날에는 I/O 경로, 메모리 경로가 따로 존재했다

 

이렇게 2개 경로를 분리했던 가장 큰 이유는 옛날 당시에는 메모리 거리에 칩이 많지 않았기 때문이다. 칩이 많지 않았다는 것은 곧 저장할 수 있는 공간이 많지 않았다는 것이다. 

 

그런데 현대적 컴퓨터에 와서는 대중적으로 32비트, 64비트 컴퓨터가 널리 사용되고 있다. 즉, 메모리 거리에 칩이 많아져 저장할 수 있는 공간이 매우 늘어났다는 것을 의미한다. 그래서 매우 커진 메모리 공간에는 항상 비어 있는 메모리 주소가 많았고 이 비어있는 공간을 활용해서 I/O 장치에 할당하게 되었다. 즉, 현대 컴퓨터에 와서는 아래 그림처럼 각 경로가 통합되었다고 볼 수 있겠다.

 

메모리와 I/O를 통합한 버스 경로

 

위 그림에서 '슬롯'이라는 요소가 있는데, 이 슬롯은 CPU에서 각 슬롯의 어떤 장치와 연결되어 있는지 파악할 수 있는 특별 주소(address)를 갖고 있다.

1-3. 컴퓨터의 두뇌, CPU(중앙처리장치)

CPU는 실제 계산을 처리하는 장치이다. 위에서 알아본 요소들을 포함해서 대부분의 컴퓨터 부품들은 CPU를 지원하는 역할을 한다. CPU는 또 크게 3가지 요소로 구성된다. 바로 산술 논리 장치, 시프트(Shift), 실행 장치이다.

1-3-1. 연산을 수행하는 장치, 산술 논리 장치(ALU)

산술 논리 장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)는 산술 계산, 불리언 대수 및 기타 연산을 수행하는 방법을 알고 있는 장치이다. ALU는 우리가 지금까지 배운 실렉터와 논리 게이트를 연결한 회로 장치일 뿐이다. ALU 장치의 간단한 다이어그램을 그려보면 아래와 같다.

 

산술 논리 장치의 다이어그램

 

위 그림에서 조건 코드를 설명하는 조건 코드 레지스터라는 것에 대해 잠깐 알아보자. 레지스터는 일종의 메모리이긴 하지만 메모리 거리에 존재하지 않는 메모리이다. 메모리 거리에 있는 일반적인 집보다는 더 특별하고 비싼 좋은 집이라고 할 수 있다. 조건 코드 레지스터를 아래처럼 표현할 수 있다.

 

조건 코드 레지스터

 

위 조건 코드 레지스터에서 조건을 표현하는 비트는 가장 오른쪽의 3개 비트이다.(해당 그림에서는 오른쪽부터 0비트로 세팅하는 리틀 엔디안 기법을 사용한 듯 하다) 먼저 $N$비트는 마지막으로 수행한 연산 결과가 음수인 경우 값이 1로 설정된다. $Z$비트는 마지막 연산 결과가 0인 경우 값이 1로 설정된다. 마지막 $O$비트는 마지막 연산에서 오버플로 또는 언더플로가 생긴 경우 1이 된다. 

1-3-2. 비트를 옮겨라, 시프트(Shift)

시프트는 비트를 왼쪽 또를 오른쪽으로 $N$비트씩 옮기는 것을 의미한다. 그래서 왼쪽 시프트, 오른쪽 시프트가 존재한다. 그런데 이 시프트들을 쓰면 신기한 현상이 발생한다.

 

먼저 어떤 비트 A에 시프트를 적용하게 된 결과 값을 B라고 하자. 이 때, 만약 왼쪽 시프트를 적용했다면 비트 B 값은 A 비트에 2를 곱한 것과 같게 된다. 그래서 이를 활용해 2를 곱셈하는 연산을 매우 손쉽게 처리할 수 있다. 반면에 오른쪽 시프트를 적용했다면 Python 문법으로 치면 이런 결과가 나온다. B = (A // 2) 

 

그런데 왼쪽 시프트를 할 때면 MSB(가장 왼쪽 비트)가 사라지거나 오른쪽 시프트를 할 때면 LSB(가장 오른쪽 비트)가 사라지는 경우가 존재한다. 그래서 사라지는 비트에 대한 값이 필요할 때가 있는데, 이 필요한 비트 값을 조건 레지스터에 저장하기도 한다. 

1-3-3. ALU에게 명령을 수행하는 주체, 실행 장치

실행 장치(Execution unit)은 제어 장치(Control unit)이라고도 부르며, 컴퓨터에게 명령하는 역할을 한다. 위에서 ALU는 산술 연산을 수행한다고 했다. 그런데 어떤 연산을 수행할지 ALU에게 명령하는 주체가 있어야 한다. 그것이 바로 실행 장치이다. 

 

실행 장치는 메모리에서 정해진 장소로부터 명령코드와 피연산자들을 가져와서 ALU에게 어떤 연산을 수행할지 알려주고, ALU가 연산을 수행한 결과를 내놓으면 이것을 메모리에 돌려준다. 그러면 실행 장치가 어떻게 이런 일을 할 수 있을까?

 

우선 실행 장치가 명령을 하기 위해서는 선택할 명령어 후보들이 존재한다. 이 명령어 후보들은 메모리의 특정 주소에 저장되어 있다. 이렇게 메모리에 명령어들을 저장하는 것을 프로그램 저장 방식 컴퓨터(Stored-program computer)라고도 한다. 이러한 아이디어는 영국의 수학자 앨련 튜링의 연구로부터 비롯되었다. 머신러닝을 접해본 사람이라면 한 번이라도 들어봤을 '튜링 머신' 의 '튜링'이 여기에서 비롯된 것이다.

 

지금까지 실행 장치가 메모리의 특정한 주소에서 명령어를 가져온다는 것을 알았다. 그렇다면 명렁어가 저장되어 있는 특정 메모리 주소를 어떻게 알 수 있을까? 이를 하기 위해서는 프로그램 카운터를 사용한다. 프로그램 카운터도 레지스터의 일종 즉, 일종의 메모리이다. 물론 메모리와 별도의 특별한 곳에 위치한다. 우선 프로그램 카운터 다이어그램을 아래에서 살펴보자.

 

프로그램 카운터

 

프로그램 카운터에는 메모리 주소가 들어 있다. 위 그림에서는 '0'이라는 숫자이다. 근데 이 '0'이라는 숫자는 바로 메모리의 주소를 가리킨다. 이것을 바로 '참조(refrence)'한다고도 한다. 즉, 프로그램 카운터는 특정 메모리의 주소를 가리키고 있다. 따라서 실행 장치는 프로그램 카운터가 가리키는 메모리 주소에 저장되어 있는 명령어를 읽어온다.(이 때, 프로그램 카운터의 값을 바꾸는 특별한 명령어가 있는데 이는 다음 목차 '명령어 집합'에서 알아보도록 하자) 그리고 읽어온 명령어를 수행한 후에는 다음 명령어를 메모리의 다음 위치에서 가져올 수 있도록 프로그램 카운터가 증가된다. 아래처럼 말이다.

 

명령어를 수행한 뒤에는 프로그램 카운터가 증가한다

 

참고로 프로그램 카운터의 초깃값이 CPU 마다 정해져 있는데, 이는 CPU 전원이 들어오면 컴퓨터는 초깃값으로 해당 값을 설정한다. 그리고 이 값을 리셋 벡터라고도 부른다.

2. 명령어 집합

다음 살펴볼 내용은 컴퓨터가 메모리에서 찾는 명령어에 대한 이야기이다. 명령어의 내용이 어떻게 구성되는지, 어떤 구조로 구성되어 있는지 살펴보도록 하자.

2-1. 명령어

우선 명령어가 어떻게 구성되어 있는지 살펴보자. 책에서는 16비트 크기로 명령어의 크기를 가정해서 아래 그림처럼 설명한다.

 

3주소 명령어 구성

 

위 구조의 명령어를 3주소 명령어 구성이라고 한다. 명령어를 명령코드, 피연산자 B와 A, 연산의 결과를 담는 4가지 파트로 나눈다. 그런데 이런 3주소 구조는 별로 적합하지 못하다. 왜냐하면 연산 결과와 피연산자 주소에 각각 4비트 밖에 사용하지 못하기 때문이다. 그러면 결국 4비트라는 제약 안에 쓸모 있는 크기의 메모리의 모든 주소를 가리키게 할 수가 없게 된다. 

 

다른 방법으로는 동적 RAM인 DRAM 주소 지정 기법을 활용할 수도 있다. 주소 확장 레지스터를 두고 별도의 명령어를 사용해서 상위 주소를 지정할 수 있다. 하지만 이러한 방법은 추가적인 레지스터를 둔 다는 점 때문에 시간이 더 들 뿐만 아니라 메모리 영역을 모두 지정하려면 여러 번 레지스터를 설정해야 한다는 단점이 존재한다.

 

그리고 3주소 명령어가 갖고 있는 치명적인 단점은 바로 세 가지 메모리 위치를 한꺼번에 지정해야 한다. 이 3개의 메모리 블록은 각기 다른 장치에 존재하게 된다. 이렇게 하면 하나의 명령어를 수행하는 데도 굉장히 회로가 복잡해진다.

 

그래서 "한 번에 한 메모리 위치에만 접근 할 수 있다"라는 사실에 맞춰서 레지스터 거리에 '누산기(accumulator)' 라는 레지스터를 하나 추가하는 시도를 해볼 수 있다. 이런 레지스터를 '누산기 레지스터' 또는 'A 레지스터'라고 부르며 누산기는 그야말로 ALU(산술연산장치)가 계산한 결과를 해당 레지스터에 저장하는 역할을 한다. 즉, 한 메모리 위치에 있는 값과 누산기에 있는 값 간에 연산을 수행하고 그 결과를 다시 누산기에 넣는다. 물론 이 과정에서 누산기에 있는 값을 메모리에 저장하기 위한 저장 명령어를 추가해주어야 한다. 이러한 명령어 구조를 1주소 명령어 구성이라고 하며 도식화해보면 아래와 같다.

 

1주소 명령어 구성

2-2. 주소 지정 모드

위에서 3주소가 아닌 1주소 구조를 통해서 사용 가능한 주소를 확보했다. 하지만 이것으로도 여전히 충분하지 않다. 방금처럼 3주소, 1주소 구조처럼 주소를 가리키는 경우를 직접 주소 지정(direct addressing)이라고 한다. 말 그대로 사용할 주소가 명령어에 '직접'들어가 있는 것을 의미한다.

 

반면에 간접 주소 지정(indirect addressing)을 사용하면 더 많은 메모리를 확보할 수 있다. 간접 주소 지정 방법에서 CPU는 명령어에 들어있는 값을 피연산자 주소롤 해석하지 않고, 피연산자 주소를 얻을 수 있는 메모리 위치를 가리키는 주소로 사용한다. 참고로 C 프로그래밍 언어에서 사용되는 개념인 포인터는 이 간접 주소 지정을  추상화한 것이라고 한다.

 

그리고 즉시 주소 지정이라는 방법도 존재한다. 경우에 따라 메모리 주소가 아닌 값 자체 즉, 상수값을 지정해야 할 때도 있다. 이 경우에는 주소에 해당하는 비트는 그냥 값으로 간주하는 것이다. 

 

이 3가지 주소 지정 모드간에 차이점을 한 눈에 파악할 수 있는 그림을 살펴보자. 예를 들어, 메모리 주소 12에 4,321이라는 값이 존재한다. 그런데 이 4,321은 메모리 주소이다. 그래서 4,321이란느 메모리 주소에는 345라는 값이 들어있다. 이 345 값은 주소가 아닌 상수값 자체이다.

 

주소 지정 모드 3가지 비교

2-3. 분기 명령어

지금까지는 명령어를 처음부터 끝까지 수서대로 수행할 수 밖에 없다. 하지만 상황에 따라 코드 중 일부를 선택적으로 실행할 수 있어야 할 때도 있을 것이다. 이를 위해서는 프로그램 카운터의 값을 변경할 수 있는 명령어가 필요한데, 이를 분기(branch) 명령어라고 부른다. 즉, 조건 코드를 살펴보고 어떤 조건을 만족할 때만 분기하는 명령어다. 조건을 만족하지 않으면 프로그램 카운터가 평소와 마찬가지로 증가해서 분기 명령어 다음에 위치한 명령어가 실행된다. 이 때 분기를 치기 위해서는 조건을 기억해야 하기 때문에 조건을 저장하기 위한 비트가 또 필요하다.

2-4. 최종 명령어 집합 구성

지금까지 소개한 명령어의 개선사항들을 종합해서 현대 컴퓨터에서 사용되고 있는 명령어 구성을 살펴보도록 하자.

 

최종 명령어 구성

 

위에서 '모드'가 2비트를 추가적으로 차지한다. 이 때의 모드는 위에서 배운 '주소 지정 모드'이다. 2비트니까 4가지로 표현이 가능하고 이 중 3가지는 위에서 배운 즉시/직접/간접 주소 지정 모드이다. 마지막 표현할 수 있는 1가지 방법이 남긴 하는데, 이는 메모리와 관계없는 연산을 표현한다고 한다.

3. RISC, CISC 명령어 집합

위와 같은 구조들로 하드웨어 설계자들은 매우 유용한 컴퓨터 명령어를 만들어내서 보다 복잡한 컴퓨터 제어 회로를 만들었다. 그런데 만들어낸 복잡한 명령어 중 실질적으로 상당수 거의 사용되지 않고 있다는 것을 발견했다. 프로그램의 실행 시간을 대부분 차지하는 명령어 만을 포함하는 기계를 설계하자는 아이디어가 여기서 최초로 고안되었다고 한다.

 

이런 기계에서는 복잡한 명령어를 단순한 명령어를 조합해서 처리한다. 마치 우리가 초반 포스팅에서 배웠던 조합논리처럼 말이다. 이렇게 단순화된 기계를 RISC(Reduced Instruction Set Computer)이라고 부른다. 이런 방식으로 단순화하면 설계도 간단해지고 각 명령어의 실행 속도를 아주 높일 수 있다는 것이 RISC의 큰 장점이다.

 

반면 기존의 방식대로 설계한 컴퓨터를 CISC(Complicted Instruction Set Computer)이라고 부른다.

4. GPU

그래픽 처리 장치라고 불리는 GPU는 요즘 가장 핫한 장치라고 할 수 있다. 원래 컴퓨터를 사용한 그래픽은 마치 번호에 맞춰 색을 칠하는 아주 커다란 색칠하기 그림책이라고 할 수 있다. 칠해야 할 지점이 몇백만 개, 몇천만 개가 될 수도 있다. 그래서 매초 수억 번 이상 메모리에 접근해야 하는 경우가 흔하다.

 

GPU 장치는 마치 컬러링 북을 색칠하는 것과 비슷하다고 할 수 있다

 

이러한 그래픽 처리 장치는 일반적인 용도에 사용되는 CPU가 제공하는 모든 기능이 필요하지 않다. 그리고 여러 점을 동시에 찍으면(칠하면) 성능이 향상될 수 있기 때문에 그래픽 처리에서는 병렬화시키기 매우 좋은 작업이다.

 

GPU 장치의 특징이 크게 2가지가 있다. 먼저 GPU에는 간단한 처리 장치가 매우 많이 들어있다. 두 번째로는 CPU보다 메모리 버스 폭이 더 넓다. 그래서 메모리에 더 빠르게 접근이 가능하다. 책에서는 마치 원예 호스 대신 소방호스로 물을 붓는 것과 같다고 예시를 든다.

 

물론 그래픽 처리를 위해서 GPU가 최초로 등장하기는 했지만 위와 같은 특성 때문에 요즘에는 인공지능과 비트코인 채굴과 같은 수많은 연산을 필요로 하는 일에 자주 사용된다. 그래서 GPU 장치가 매우 비싸져 구하기가 어려운 품귀 현상이 벌어지기도 한다.

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지금까지해서 크게 컴퓨터의 하드웨어 적인 측면에서의 내용을 많이 알아보았다. 하지만 아직 컴퓨터에 빠진 요소들이 몇 가지가 있다. 실제 컴퓨터에는 위 요소들 뿐만 아니라 스택, 메모리 관리같은 부가적인 하드웨어들이 추가로 필요하다. 다음 장에서는 이것들에 대해 알아보도록 하자.