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01-2 컴퓨터 구조의 큰 그림

컴퓨터 구조 
= 컴퓨터가 이해하는 정보(데이터+명령어) + 컴퓨터 4가지 핵심 부품

데이터? 
- 정적인 정보
- 컴퓨터가 주고 받는 정보, 내부에 저장된 정보를 얘기하기도 함

명령어?
- 컴퓨터는 결국 명령어 처리 기계
- 명령어는 컴퓨터를 실질적으로 움직이는 정보
*데이터는 명령어를 위한 재료
- 명령어 예) 1과2를 더하라(1과2는 데이터)

컴퓨터 4가지 핵심 부품(컴퓨터 종류를 막론하고 거의 동일)
- CPU, 메모리, 보조기억장치, 입출력장치
*메모리는 주기억장치의 줄임말. 주기억장치는 원래 2종류(RAM, ROM) 근데 이 학습과정에선 RAM을 지칭한다고 보면 됨

핵심부품이 모이는 판(부착하는 판): 마더보드, 메인보드
메인보드에 부착된 부품 간 정보를 주고 받을 수 있는 통로: 버스
버스  중에서 제일 중요한 버스(like 척추): 시스템 버스

메모리?
- 현재 실행되는 프로그램(프로세스)의 명령어와 데이터를 저장하는 부품
(=프로그램을 실행하려면 데이터와 명령어가 메모리에 있어야한다)
*페이징기법을 사용하면 꼭 메모리에 있어야 하는 건 아닐 수도 있음*
- 메모리의 주요 개념: 주소 ▶️ 접근 또는 필요로하는 데이터나 명령어가 메모리 내 어디에 위치해있는지 알 수 있는 정보

CPU?
- 컴퓨터의 두뇌와 같은 부품☆☆☆
- 메모리에 저장된 명령어를 읽어 들이고 해석하고 실행하는 장치
- CPU 핵심 부품 3가지: ALU(산술논리연산장치), 제어장치(control unit), 레지스터

- ALU? 그냥 계산기임
- 레지스터? CPU 내부에 있은 작은 저장 장치(임시 저장 장치). 보통 CPU 내 여러 개 있음
- 제어장치? 제어신호(컴퓨터의 부품을 관리하고작동시키기 위한 전기신호로 여러 종류가 있다)라는 일종의 전기신호를 내보내고 명령어를 해석하는 장치

제어신호 종류: 메모리 읽기신호, 메모리 쓰기신호
- CPU가 메모리 값 읽고 싶을 때? 읽기 신호
ㄴ CPU가 메모리에 읽기 신호(1번지 읽어)를 보냈다면? 메모리가 명령어를 레지스터에 갖다둠. 그럼 제어장치가 레지스터에 있는 명령어를 해석함 -> 이를 기반으로 다음 처리 수행
- CPU가 메모리에 값을 쓰고 싶을 때? 쓰기 신호

보조기억장치
- 왜 필요해? 메모리(RAM)은 비쌈. 그리고 메모리는 전원 꺼지면 정보를 읽어버림(휘발성 저장장치) ▶️ 전원이 꺼져도 정보를 보관할 수 있는 장치 필요
- 실행되지 않는 프로그램 보관하는 장소
*메모리에는 실행할 정보를 저장하고, 보조기억장치에는 보관할 정보를 저장한다.

메인보드? 
- 컴퓨터의 4가지 핵심 부품을 부착하는 판
- 버스를 통해서 부품 간 정보를 주고 받음

버스?
- 메인보드에 있는 핵심부품들 간에 정보를 주고 받을 수 있는 통로(다양한 종류가 있음)
- 제일 중요한 통로를 시스템 버스라고 함

시스템버스?
- 주소 버스(주소 통로) / 데이터버스(데이터 통로) / 제어 버스(제어신호 통로)로 구성

02-1 0과1로 숫자를 표현하는 방법
컴퓨터의 정보단위. 비트
- 비트(bit): 0과 1로 표현하는 가장 작은 정보 단위
- 프로그램은 수많은 비트로 이뤄져 있음
- 다만 일상적으로 비트라는 단위를 쓰진 않음(바이트, 메가바이트, 킬로바이트, 메가바이트, 기가바이트, 테라바이르..등을 사용)
- 8bit=1byte
- 1,000byte=1kB
- 1,000kB=1MB...
- 1,000MB=1GB
- 1,000GB=1TB

워드(word)
- CPU가 한번에 처리할 수 있는 정보의 크기 단위
- 예1) aCPU가 한번에 32bit씩 처리할 수 있다면 해당 CPU의 1워드=32bit
- 예2) bCPU가 한번에 64bit씩 처리할 수 있다면 해당 CPU의 1워드=64bit
- half word: 워드의 절반 크기
- full word: 워드 크기
- double word: 워드의 2배 크기

0과1로 숫자 표현 방법. 이진법(binary)
- 숫자가 1을 넘어가는 시점에 자리 올림
- 십진법(decimal)은 9 넘어가는 시점에 자리올림
- 이진수로 음수 표현: 2의 보수
ㄴ 어떤 수를 그보다 큰 2^n에서 뺀 값
ㄴ 모든 0과 1을 뒤집고 1을 더하면 됨
ㄴ CPU가 음수와 양수를 구분하는 법: CPU 내부에 플래그 레지스터라는 게 있음. 거기에 양수인지 음수인지 표시되어 있음.
근데 이진법만 쓰면 데이터 길이가 너무 길어짐. 그래서 십육진법 쓰는 경우도 있음
- 0~9까지는 십진법과 동일. 
- 10(십진법)은 a, 11(십진법)은 b...15(십진법)는 f. 16(십진법)에 자리 올림되어서 10
- 코드상 십육진법 표기 시, 0x15라고 표기할 수 있음
- 십육진법 왜 써? 이진수<->십육진수 변환이 쉬움

02-2 0과 1로 문자를 표현하는 법
- 문자집합(character set): 컴퓨터가 이해할 수 있는 문자 모음
- 인코딩(encoding)
ㄴ 코드화 과정
ㄴ 문자를 0과 1의 문자코드로 변환하는 과정
- 디커딩(decoding)
ㄴ 코드 해석 과정
0과1의 문자코드를 문자로 변환하는 과정

아스키코드(대중적인 문자집합)
- 초창기 문자집합
- 7비트로 하나의 문자 표현(8비트 중 1비트는 오류 검출을 위해 사용되는 패리티 비트(parity bit)
- 한글을 포함한 다른 언어 문자 표현 불가
>언어별 인코딩 방식의 등장

한글 인코딩: 완성형 VS 조합형
- 한글 특징: 초성 중성 종성 조합으로 단어가 이루어짐(영어와 다름)
- EUC-KR
ㄴ완성형 인코딩 방식
ㄴ글자 하나에 2바이트(16비트) 크기의 코드 부여함=한 글자를 표현하는데 16진수 4자리가 필요
ㄴ문제점: 지원하지 않는 글자도 있음(뷁, 괗 등)
ㄴ문데점: 다국어 지운 프로그램 개발 시에는 언어벌로 인코딩 방식을 모두 이해해야함
>통일된 문자집합에 대한 니즈 > 유니코드문자집합과 utf 인코딩 방식 탄생

유니코드
- 통일된 문자집합
- 한글 영어부터 이모티콘 특수문자까지 가능
- 현재 문자 표현에 있어 매우 중요
- 인코딩 방식에 따라, 글자를 비트로 변환하는 방식에 따라 utf-8, utf-16...등으로 나뉨

03-1 소스코드와 명령어
- 개발자가 사용하는 언어: python, JAVA..등 고급 언어=개발자가 읽고 쓰기 편하게 만들어진 언어
- 컴퓨터가 이해하고 실행하는 언어: 저급 언어

저급 언어의 종류: 기계어, 어셈블리어
- 명령어로 이루어진 언어: 기계어: 2진수 또는 16진수로 표현됨
- 사람들이 그나마 좀 읽기 편하게 변환된 언어: 어셈블리어
- 어셈블리어는 기계어와 다르게 소스코드에 직접 입력하기도 함

고급언어는 저급언어로 변환되어 컴퓨터가 명령어를 처리함
- 고급>저급언어변환 방식의 종류: 컴파일 방식, 인터프리트 방식
ㄴ 고급언어 중 컴파일 언어 -> 컴파일 방식
ㄴ 고급언어 중 인터프리트 언어 -> 인터프리트 방식

컴파일언어
- 고급언어>저급언어 변환과정을 컴파일이라고 함
- 컴파일러에 의해 고급언어(소스코드)가 저급언어로 변환됨
- 컴파일에 의해 변환된 저급언어는 목적코드라고 함
- 컴파일러가 소스코드 전체를 검토(오류 여부, 미사용 변수 유무, 최적화 가능 여부 등) > 이후 소스코드 전체를 목적코드로 통째로 컴파일 진행
-> 오류가 하나라도 있으면 변환을 진행하지 않음

인터프리트 언어
- 인터프리터라는 특수한 프로그램에 의해 소스코드를 한줄씩 실행됨(저급언어로 변환됨)
- 소스코드 전체가 저급언어로 변환되기까지 기다릴 필요가 없음
- 에러 발생 코드 전까지 다 저급언어로 변환

*cpu종류와 컴파일러 종류에 따라 저급언어가 달리질 수 있음

*컴파일언어, 인터프리터언어가 정확하게 양분되는 건 아님(흑백논리X)

03-2 명령어의 구조 
명령어
=컴퓨터가 수행할 연산+연산에 사용될 데이터가 저장된 위치
=연산코드+오퍼랜드

어셈블리어도 명령어다
=어셈블리어도 연산코드와 오퍼랜드로 이뤄져있다.

오퍼랜드?
- 연산에 사용될 데이터 or 연산에 사용될 데이터가 저장된 위치(오프랜드가 들어가는 공간에는 얘를 훠어어얼씬 더 자주 들어감)
-> 그래서 오퍼랜드를 주소필드라고 부르기도 함
- 하나의 명령어에 오퍼랜드는 없을 때(0주소 명령어)도 1개(1주소 명령어)일 수도, 2개(2주소 명령어)일 수도..여러 개일 수도 있음.

연산코드
- 컴퓨터가 수행할 연산
- CPU마다 갖고 있는 연산코드 종류는 다양한데 그래도 공통적으로 데이터 전송, 산술/논리 연산, 제어 흐름 변경, 입출력 제어가 있음

연산코드의 종류1) 데이터 전송
- 데이터 이동, CPU로 이동, 저장, 스택에 저장, 가져오기 등
*STACK: LAST IN FIRST OUT 구조(한 쪽이 막힌 듯한 구조)
*OUE: FIRST IN FIRST OUT 구조(선입선출 구조)

연산코드 종류2) 산술/논리 연산
- 사칙연산코드, 오퍼랜드에 더하기/빼기해라, and/or/not, true/false비교해라

연산코드 종류3) 제어 흐름 변경
- 특정 메모리 주소로 실행의 순서를 옮기는 연산
- 조건 부합하면 딴 데부터 수행해라, 실행 순서 바꿔라, 실행을 멈춰라

연산코드 종류4) 입출력 제어 

주소필드를 쓰는 이유
- 크기가 제한되어 있음 -> 들어갈 수 있는 데이터 크기가 제한됨 

유효주소: 연산에 사용될 데이터가 저장된 위치

명령어 주소 지정 방식
- 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치를 찾는 방법
- 유효 주소를 찾는 방법
- 다양한 명령어 주소 지정 방식들
- 종류1) 즉시 주소 지정 방식
ㄴ 연산에 사용할 데이터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시 -> 오퍼랜드 크기가 제한되기에 사용가능한 데이터가 한정됨. 근데 데이터를 찾아다니지 않아도 되서 간단하고 빠름
- 종류2) 직접 주소 지정 방식
ㄴ 오퍼랜드 필드에 유효 주소를 직접 명시
ㄴ 유효 주소를 표현할 수 있는 크기가 연산코드만큼 줄어듦.
- 종류3) 간접 주소 지정 방식
ㄴ 유효주소의 주소를 명시하는 방식 -> 느림
- 레지스터 주소 지정 방식
ㄴ 연산에 사용될 데이터가 저장된 레지스터 명시
ㄴ CPU가 메모리보단 레지스터에 접근하는 게 훨 빠름(레지스터는 CPU 안에 있음. 메모리는 CPU 밖에 있음)
- 종류4) 레지스터 간접 주소 지정 방식
ㄴ 연산에 사용할 데이터를 메모리에 저장하고 이 주소를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 명시

03 추가: c언어의 컴파일 과정
컴파일과정: 전처리기>컴파일러>어셈블러>링커

04-1 ALU와 제어장치
CPU를 구성하는 부품
ALU는 계산해는 장치
제어장치는 제어 신호를 발생시키고 명령어를 해석하는 장치

ALU가 받아들이는 정보
- 레지스터한테서 피연산자를 받아들임
- 제어장치로부터 제어신호(수행할 연산)를 받아들임
>ALU는 위 정보를 바탕으로 계산 수행. 그리고 이 결과값을 레지스터로 내보냄
?왜 메모리가 아닌 레지스터에 저장? CPU가 메모리에 접근하는 것보다 레지스터에 접근하는 게 훨 빠름.
추가로 플래그라는 것도 내보냄. 플래그란? 연산정보에 대한 부가정보. 이건 플래그 레지스터라는 곳으로 내보냄
*연산결과가 음수이먄 음수라는 플래그값이, 0이면 0이라는 플래그값이 플래그 레지스터에 담김. 오버플로우여부(연산결과가 연산결과를 담을 수 있는 레지스터보다 큰 경우)도 플래그에 명시됨

플래그 레지스터는 0과 1로 표현됨. 예를 들어 제로플래그가 1이면 연산결과가 0이라는 걸 표현한 거임. 

제어장치가 받아들이는 정보: 클럭, 해석할 명령어, 플래그
- 클럭? 제어장치가 받아들이는 신호. 컴퓨터의 모든 부품을 일사분란하게 움직일 수 있게 하는 단위. 시계처럼 일정 주기로 발생하는 신호. 클러규신호 단위에 맞춰 명령어가 수행됨. 
- 해석할 명령어? 명령어 레지스터라는 특수한 레지스터에 저장됨. 이걸 받아들이고 이를 해석하여 제어신호를 내보냄.
- 플래그? Cpu가 받아들이는 부가정보. 근데 명령어 해석과정에서도 필수적인 정보임.
- 제어신호? 제어신호는 사실 제어장치만 발생시캘 수 있는게 아니라서 받아들임

제어장치
- cpu내부용, cpu와부용이 있음
- cpu내부용은 레지스터와 alu에 전달하는 신호가 있음
- cpu외부용은 메모리와 입출력장치에 전달하는게 있음

04-2 레지스터
레지스터: CPU 내부에 있는 작은 임시 저장장치
- 프로그램 속 명령어와 데이터는 실행 전후로 레지스터에 저장 > 이거 프로그래머가 관찰할 수도 있음
- LOWLEVEL개발자는 이 레지스터 까보는 경우도 많음.
레지스터 종류는 다양(CPU마다 종류도 다름)하고 역할도 다 다름.

종류1) 프로그램카운터
- 메모리에서 가져올 명령어의 주소 저장
종류2) 명령어 레지스터
- 해석할 명령어를 저장함(메모리에서 갓(방금) 읽어 들인 명령어)
종류3) 메모리 주소 레지스터
- 메모리의 주소를 저장함
- cpu가 주소버스로 정보 내보낼 때 거치는 레지스터
종류4) 메모리 버퍼 레지스터
- 메모리와 주고받을 값(데이터, 명령어)을 저장
- 데이터버스로 주고받을 때 거치는 레지스터
종류5) 플래그 레지스터
- 연산결과 또는 cpu상태에 대한 부가적인 정보
종류6) 범용 레지스터
- 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 쓸 수 있음(주소도, 데이터도 담을 수 있고 그리고 얘는 여러 개가 있음)
종류7) 스택 포인터 > 주소 지정에 사용
- 스택 주소 지정 방식에 사용.
- 스택의 꼭대기, 즉 스택이 어디까지 차있는지를 알려주는 레지스터
*스택은 메모리 안에 있음(스택 영역)
종류8) 베이스 레지스터 > 주소 지정에 사용
- 변위 주소 지정 방식에 사용되는 레지스터
- 오퍼랜드 필드 값을 변위로 보고 특정 레지스터 값을 더하여 유효 주소를 얻음(오퍼랜드 필드 + 레지스터값)
ㄴ 방식1)오퍼랜드 필드 값+프로그램카운터(상대 주소 지정 방식)
ㄴ 방식2) 오퍼랜드 필드 값+베이스 레지스터

01-2 컴퓨터 구조의 큰 그림 ~ 04-2 레지스터까지