컴퓨터의 구성 (Computer Components)

입출력장치와 시스템 버스

입출력장치는 키보드, 마우스, 디스플레이, 네트워크 카드처럼 컴퓨터와 외부 세계를 잇는 장치다. CPU와 입출력장치는 속도 차이가 매우 크기 때문에, CPU가 장치 상태를 계속 확인하는 폴링(polling) 대신 장치가 준비되었을 때 CPU에 신호를 보내는 인터럽트(interrupt) 방식이 널리 쓰인다. 또한 대량의 데이터 전송은 CPU를 거치지 않고 장치가 직접 주기억장치와 데이터를 주고받는 직접 메모리 접근(DMA, Direct Memory Access)으로 처리해 CPU의 부담을 줄인다.

시스템 버스는 구성 요소 사이의 공용 통로로, 읽거나 쓸 위치를 지정하는 주소 버스(address bus), 실제 데이터가 오가는 데이터 버스(data bus), 읽기와 쓰기 같은 동작을 지시하는 제어 버스(control bus)로 나뉜다. 현대 시스템에서는 단일 공유 버스 대신 PCIe(PCI Express) 같은 점대점 고속 인터커넥트가 GPU와 SSD를 연결하고, 메모리 컨트롤러는 CPU 칩 안으로 들어와 있다.

폰 노이만 구조와 그 한계

폰 노이만 구조의 핵심은 프로그램 내장 방식(stored program concept)이다. 명령어와 데이터를 같은 기억장치에 두기 때문에 프로그램을 바꾸려면 배선을 바꾸는 대신 메모리 내용만 바꾸면 되고, 이것이 소프트웨어라는 개념을 가능하게 했다. 반면 명령어와 데이터가 하나의 통로를 공유하므로 CPU가 아무리 빨라도 메모리 통로가 병목이 되는데, 이를 폰 노이만 병목(Von Neumann bottleneck)이라고 한다.

이를 완화하기 위해 명령어 메모리와 데이터 메모리를 분리하는 하버드 구조(Harvard Architecture)가 제안되었고, 현대 CPU는 L1 캐시를 명령어용과 데이터용으로 분리해 내부적으로는 하버드 구조, 외부적으로는 폰 노이만 구조인 절충 형태를 취한다. 더 나아가 GPU 같은 가속기는 수천 개의 단순한 연산 유닛으로 병렬 처리를 수행하며, 최근에는 연산을 메모리 가까이로 옮기는 근접 메모리 연산(processing-in-memory) 연구도 병목을 푸는 방향으로 진행되고 있다.

면접에서 이렇게 물어본다

• 컴퓨터의 4대 구성 요소를 나열하고 각 역할을 설명해보시오.
• 폰 노이만 구조의 핵심 아이디어와 폰 노이만 병목이 무엇인지 설명해보시오.
• 메모리 계층 구조가 왜 필요한지, RAM과 보조기억장치의 차이는 무엇인지 말해보시오.
• 폴링과 인터럽트의 차이, 그리고 DMA가 필요한 이유를 설명해보시오.
• 시스템 버스를 구성하는 세 가지 버스와 각각의 역할을 설명해보시오.