[ 🤖 CS Interview_Lev.0 ] Q.1 컴퓨터 구조와 관련하여 CPU, RAM, 저장장치의 역할과 상호 작용 (feat.컴퓨터 구조와 메모리, CPU)

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Q. 1

컴퓨터 구조와 관련하여 CPU, RAM, 저장장치의 역할과 상호 작용에 대해 설명해주세요. 

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컴퓨터는 크게 소프트웨어와 하드웨어로 구분할 수 있습니다.

CPU와 RAM, 저장장치는 이중 하드웨어에 해당 됩니다.

CPU는 중앙처리 장치로 메모리에 저장된 명령어를 읽고 해석하고 실행하는 역할을 합니다. 

RAM은 주기억장치로 전력이 끊기면 데이터를 잃어버리는 휘발성 메모리이기 때문에

데이터의 영구 보관을 위해서는 저장장치인 보조기억장치를 사용해야 합니다. 

 

 

프로그램은 저장장치인 디스크 안에 파일로 저장되어 있고 

이 파일로 되어 있는 프로그램의 일부가 메모리로 올라오게 됩니다. 

메모리로 올라온 일부 명령어들이 CPU에 의해서 실행됩니다.

이는 프로그램이 동작된다는 것이고 이 동작되고 있는 프로그램을 프로세스라고 합니다. 

CPU는 프로세서이고, 이 실행되고 있는 프로그램을 프로세스라고 합니다. 

 

 

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✅ 컴퓨터 구성 요소

• 하드웨어 : 컴퓨터를 구성하는 기계적 장치
  - CPU, 기억장치(RAM/HDD), 입출력장치

 

• 소프트웨어 : 하드웨어의 동작 지시 및 제어하는 명령어 집합 
  - 시스템 소프트웨어(운영체제, OS), 컴파일러
  - 응용 소프트웨어 : 워드, 엑셀 

 

 

✅ 컴퓨터 구조

• 중앙처리장치(CPU)
• 메인 메모리(RAM/ROM)
• 저장장치
• 입력장치 - 키보드, 마우스, 스캐너처럼 입력할 수 있는 장치 
• 출력장치 - 프린터, 스피커, 모니터처럼 컴퓨터에서 나오는 결과물을 보여주는 장치
  
  

 

✅ CPU(Central Processing Unit, 중앙처리장치)

• 컴퓨터의 뇌 역할
• 기억장치(메모리)에 저장된 명령어를 읽고, 해석하고(연산 처리) 실행하는 역할
  얼마나 빨리 계산하는가가 성능의 기준이 된다!! 
• CPU의 내부 구성
  - 산술/논리 연산장치(ALU) : 계산과 논리 담당
  - 제어장치 : CPU에서 작업을 지시하는 장치
  - 레지스터 : 프로그램을 실행할 때 필요한 값들을 임시로 저장하는 CPU 내부 메모리

 

 

✅ 메모리

• 프로그램이 실행되기 위한 명령어와 데이터가 저장되어 있는 기억장치
• 메인 메모리(주기억장치) 종류로는,
  RAM(Random Access Memory, 읽고 쓰기 가능)과
  ROM(Read-Only Memory, 읽기만 가능)이 있다. 
• 프로그램이 실행되려면 메모리에 저장되어 있어야 하고, 메모리에 저장된 값의 위치는 주소로 알 수 있다. 
• 주기억장치는 전력이 끊기면 데이터를 잃어버리기 때문에 데이터의 영구 보관을 위해서는
  하드디스크와 USB와 같은 보조 기억장치를 사용해야 한다. 
  
  
• RAM(Random Access Memory) - 휘발성 메모리

* 여기서 random의 의미는 우리가 흔히 아는 무작위의 느낌보다는

지정된 주소로 자유자재로 이동 가능하다의 후자의 뉘앙스로 사용됨.

- 컴퓨터에서 프로그램을 실행할 때 필요한 정보를 저장.
- CPU에서 접근 속도가 하드 디스크 보다 빠름.
- 메모리라고 하면 보통 RAM을 의미함.

- RAM은 DRAM(Dynamic RAM)이라고도 한다.

*   휘발성  : 전원 공급이 중단되면 저장된 정보가 없어지는 성질

* 메모리는 데이터를 전자의 이동으로 처리하는 반면, 저장장치는 기계로 속도가 느리다.

 

 

✅ 보조 기억장치(저장장치)- 비휘발성 메모리

• 보관할 정보를 저장, 전원이 꺼져도 보관할 정보를 저장
• 내장 장치 : SSD(Solid State Drive), HDD(Hard Disk Drive)
• 외장 장치 : USB 메모리, 외장 하드(들고 다닐 수 있는 HDD), 외장 SSD

 

 

* 명렁어가 CPU로 옮겨가는 과정을 Bus라고 한다. 

 

 

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🌟  캐시 메모리(cashe memory)의 개념과 종류, 역할에 대해 설명해주세요.

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캐시메모리는 속도가 빠른 CPU가 속도가 느린 RAM에서 

데이터를 가지고 올 때 발생하는 속도 차이를 해결하기 위해 

시간적, 공간적 지역성을 기반으로 접근될 확률이 높은 데이터들을

작지만 빠른 캐시메모리에 저장하여 전체적인 시스템의 성능을 높이는 역할을 합니다. 

 

캐시메모리의 종류는 속도와 용량에 따라 L1, L2, L3가 있습니다. 

CPU의 내부 메모리인 레지스터와 가까운 순서대로

메인 메모리 RAM 사이에 위치해 있습니다. 

 

 

메모리 계층 구조

• 캐시 메모리(cashe memory)
  - CPU와 RAM 사이의 속도 차이를 해결(병목현상 완화)하기 위해 자주 쓰는 데이터들을 저장하는 기억장치
  - CPU가 필요로하는 데이터가 레지스터에 없는 경우, 주기억장치로부터 데이터를 읽어 오는데 상당 시간 필요  
  - CPU 내부에 위치하며 접근 속도가 레지스터 다음으로 빠름 
  -> CPU의 빠른 실행 가능
  
  
  📌 자주 사용하는 데이터는 어떻게 알아내는가??
  지역성의 법칙을 이용해 예측한다. 
  캐시 내의 index, tag 등을 이용해 특정 데이터가 캐시 내 존재하는지 판단한다. 
  이때, 캐시 내에 데이터가 없다면! 캐시 미스(Cache Miss)
  메인 메모리에서 데이터를 꺼내와서 명령어를 다시 수행하여 캐시 적중(Cache hit)을 시킨다.

 

• 종류
  속도와 용량에 따른 분류.
  CPU(코어)와 가까운 순서대로 있는 L1 캐시부터 데이터를 검색 
  숫자가 작을수록 용량이 작고 빠름
  
  - L1 : CPU 내부 위치
  - L2 : CPU와 RAM 사이 위치
  - L3 : 메인 보드에 위치
  - 디스크 캐시 : RAM과 하드디스크 사이 위치

 

 

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🌟 CPU 아키텍처의 종류(예: ARM, x86)와 특징에 대해 설명해주세요. 

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 CPU에서 프로그램이 작동하기 위해서는 

개발자들이 작성한 자바와 같은 프로그래밍 언어를 컴파일러를 통해

어셈블리어로 변환 해주고 이를 다시 ISA 메뉴얼을 통해 CPU가 이해할 수 있는

2진수로  변환해주는 작업이 필요합니다. 

 

대표적으로 인텔의 x86과 ARM이 있습니다.

x86은 CISC 구조로 명령어 자체가 복잡하고 제조 단가와 전력 소모가 높지만 

오랜기간 사용되어 많은 프로그램들이 개발시 사용되어 왔습니다. 

 

ARM은 핵심적인 명령만 만들어 놓고 이를 커스텀해서 사용하는 RISC 구조를 사용합니다.

이는 제조 단가가 낮고 전력소모가 낮은 장점이 있습니다.

특히 스마트폰과 같은 모바일 기기가 등장하게 되면서 

에너지 효율성이 높아 대두 되고 있습니다. 

 

 

 

✅ ISA(Instruction Set Architecture)

:  CPU 아키텍처는 CPU의 설계와 구조를 나타내는 용어로
x86과 ARM의 차이를 알기 위해서는 먼저 ISA의 개념을 알아야 한다.

C, Swift 등의 프로그래밍 언어를 CPU가 이해할 수 있게 컴파일러를 통해 어셈블어로 번환되고,

ISA 메뉴얼을 통해 이를 다시 0과 1로 이루어진 2진수로 변환해야 CPU에서 해당 프로그램이 돌아간다.

각각의 CPU는 서로 다른 ISA를 갖고 있기 때문에 소프트웨어를 다운 받을 때 해당하는 버전으로 다운 받아야 한다. 

 

 

✅ 대표적 ISA인 x86 vs. ARM

x86	ARM
인텔과 AMD의 CPU에 해당 오랜 기간 동안 독점 하듯이 사용돼 많은 프로그램들이 개발 시 사용	스마트폰과 모바일이 등장하면서 작은 크기의 베터리 용량으로 전력소모가 적은 CPU 주목 받으며 부상
CISC(Complex Instruction Set Compution) 구조 사용	RISC(Reduced Instruction Set Computing) 구조 사용
➡️ 사용할만한 모든 명령어 세트를 만들어 놓고(명령어 자체가 복잡) 골라서 사용	➡️ 핵심적인 명령만 만들어 놓고(명령어 해석 시간 짧음) 이를 조합해서 명령어 세트 만들어서 사용
➡️ 제조 단가가 높고 전력 소모 많음	➡️ 조합하는 부분이 적을수록 제조 단가가 낮고 적은 전력으로 빠르게 명령어 처리 가능
적용 분야  : 개인용 컴퓨터, 서버, 워크스테이션	적용 분야 : 모바일 기기, 임베디드 시스템, IoT 디바이스, 스마트 홈
초창기에는 어셈블리어를 손으로 직접 코딩하던 시절로 단순 명령을 여러번 쓰는 ARM 보다 선호 됨 -> 스마트폰이 떠오르면서 변화됨 소프트웨어를 생산하는 서버쪽에서는 아직 높은 점유율로 굳이 ARM으로 전환해야할 필요성 못 느낌	애플이 직접 개발한 칩인 M1이 사용. 기존 인텔 기반 맥북 보다 빠르고 에너지 효율성이 높아 모바일 기기에 많이 사용됨. 최근에는 높은 성능으로 컴퓨팅 기기에도 사용되고 있음. MacOS에서 돌아가는 x86 프로그램들도 지원 가능.

 

 

 

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🌟 iOS 기기에서 사용되는 AP(Application Processor)의 특징과 역할에 대해 설명해주세요.  

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CPU와 같이 핸드폰의 CPU 역할을 하는 비메모리 반도체입니다.

컴퓨터에서 사용되는 CPU역할 뿐만 아니라

메모리, GPU 등의 기능이 모두 포함된 개념입니다. 

 

 

✅ AP(Application Processor)

: CPU와 같은 휴대폰의 두뇌 역할을 하는 비메모리 반도체(시스템반도체..?)
컴퓨터에 들어가는 CPU는 주로 연산, 명령어 해석, 제어 역할이라고 한다면,

AP칩은 CPU, 메모리, GPU 등의 기능이 모두 포함된 개념이다.

작은 모바일 기기에 AP 칩에 필요한 모든 부품을 집적하는 AP를 SoC(Sytem on Chip)로 구현된다.

여기에는, CPU, 모바일 DRAM, GPU, 네트워크 칩 등이 지접된다. 

*시스템 반도체 : 정보를 저장하는 메모리 반도체와 달리, 데이터를 연산, 제어, 변환, 가공, 논리적인 정보처리 반도체

 

 

최근 동영상, 음악 감상, 게임 등의 배터리 소모가 많기 때문에 배터리 전원으로 작동하는 모바일은 전력 효율이 중요하다.

 

 

✅  AP 반도체를 개발하는 기업

- 삼성전자

- Qualcomm

- Apple : 독자적인 AP 반도체인 A 시리즈의 칩을 설계하고 있다. 

- MediaTek

 

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🔗 Reference
- https://m.blog.naver.com/judami6476/222759642213
- https://tdcian.tistory.com/404
- https://imdeveloper-92.tistory.com/42
- https://umanking.github.io/2023/03/05/processor-architecture-x86-arm/
- https://www.youtube.com/watch?v=G-fJJ-OHLDw
- https://youtu.be/dF1BHjt3Bdc?feature=shared
- https://blog.naver.com/qbxlvnf11/221354455294
- https://zion830.tistory.com/46
- https://gyoogle.dev/blog/computer-science/computer-architecture/%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0%EC%9D%98%20%EA%B5%AC%EC%84%B1.html
- https://hongong.hanbit.co.kr/%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0%EC%9D%98-4%EA%B0%80%EC%A7%80-%ED%95%B5%EC%8B%AC-%EB%B6%80%ED%92%88cpu-%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC-%EB%B3%B4%EC%A1%B0%EA%B8%B0%EC%96%B5%EC%9E%A5/
- https://velog.io/@rsuubinn/%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0-%EA%B5%AC%EC%A1%B0-%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0%EC%9D%98-%EA%B8%B0%EB%B3%B8-%EA%B5%AC%EC%A1%B0-CPU%EC%99%80-%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC
- https://code-piggy.tistory.com/416
- https://github.com/JeaSungLEE/iOSInterviewquestions?tab=readme-ov-file