🖥️ [컴퓨터구조] 컴퓨터 하드웨어의 기본 개념

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1️⃣ 컴퓨터 구조의 개요 – 컴퓨터 추상화와 기술

컴퓨터 하드웨어는 컴퓨터를 구성하는 물리적인 부품들을 의미합니다.

CPU(중앙처리장치), 메모리, 저장장치, 입출력 장치, 네트워크 장치 등 다양한 하드웨어 요소들이 협력하여 데이터를 처리하고 저장하며, 사용자와 상호작용하는 역할을 합니다.

이 글에서는 컴퓨터 하드웨어의 핵심 요소를 개념적으로 정리하고, 각각의 역할과 작동 원리를 자세히 설명하겠습니다.

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🔹 1. 컴퓨터 하드웨어의 주요 구성 요소

컴퓨터 하드웨어는 연산(Processing), 저장(Storage), 입출력(I/O), 데이터 전달(Bus)이라는 네 가지 핵심 역할을 수행합니다.

아래 표는 컴퓨터의 주요 하드웨어 요소와 그 역할을 요약한 것입니다.

구성 요소	역할	예시
CPU (중앙처리장치)	연산 수행 및 명령어 처리	Intel Core i9, AMD Ryzen, Apple M2
메모리 (RAM, Cache)	데이터 및 프로그램 실행 중 임시 저장	DDR4 RAM, L1/L2/L3 Cache
저장장치 (HDD, SSD)	데이터 및 프로그램 영구 저장	NVMe SSD, SATA HDD
입출력 장치 (I/O)	사용자 입력 및 결과 출력	키보드, 마우스, 모니터, 프린터
버스 (Bus)	데이터 전송 및 장치 간 연결	PCIe, SATA, USB

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🔹 2. 중앙처리장치(CPU, Central Processing Unit)

CPU는 컴퓨터의 두뇌 역할을 하며, 프로그램의 명령어를 해석하고 실행하는 장치입니다.

✅ 2.1 CPU의 주요 구성 요소

CPU는 다음과 같은 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다.

구성 요소	설명
산술논리연산장치 (ALU, Arithmetic Logic Unit)	덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 및 논리 연산 수행
제어 장치 (Control Unit)	명령어를 해석하고 실행 흐름을 제어
레지스터 (Register)	고속 데이터 저장 공간 (CPU 내부에 위치)

💡 예시:

• CPU가 A + B 연산을 수행하면, ALU가 연산을 처리하고, 결과를 레지스터에 저장함.

 

✅ 2.2 CPU의 성능을 결정하는 요소

CPU의 성능은 단순히 클럭 속도(GHz)만으로 결정되지 않습니다. 다음과 같은 요소들이 CPU 성능을 결정합니다.

성능 요소	설명
클럭 속도 (Clock Speed)	CPU가 초당 실행하는 주기의 수 (GHz 단위)
코어 수 (Cores)	병렬 연산을 수행하는 독립적인 연산 유닛의 개수
스레드 (Threads)	한 개의 코어가 동시에 처리할 수 있는 실행 단위
캐시 메모리 (Cache)	CPU 내부의 고속 메모리 (L1, L2, L3)
명령어 집합 (ISA)	CPU가 이해할 수 있는 명령어 유형 (x86, ARM, RISC-V)

💡 실제 사례:

• Intel Core i9 13900K: 24코어 32스레드, 최대 5.8GHz 클럭
• Apple M2 Ultra: 24코어, ARM 기반, 높은 전력 효율

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🔹 3. 메모리 계층 구조 (Memory Hierarchy)

컴퓨터는 데이터를 저장하는 여러 단계의 메모리를 사용합니다. 속도와 비용의 균형을 맞추기 위해 계층적 메모리 구조를 형성합니다.

✅ 3.1 메모리 계층 구조

메모리 종류	속도	용량	특징
레지스터	🔥 매우 빠름	🏆 매우 적음	CPU 내부에 위치
캐시 메모리 (L1, L2, L3)	⚡ 빠름	📌 적음	CPU와 RAM 사이에 위치
RAM (휘발성 메모리)	🏃‍♂️ 중간	📊 보통	실행 중인 데이터 저장
SSD/HDD (비휘발성 메모리)	🐌 느림	🏦 큼	영구 저장장치

💡 실제 사례:

• 캐시가 클수록 CPU의 성능이 향상됨 (예: Ryzen 7 7800X3D는 L3 캐시 96MB 제공).
• 최신 노트북과 스마트폰은 LPDDR5 RAM을 사용하여 더 높은 속도와 낮은 소비 전력을 구현함.

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🔹 4. 저장 장치 (Storage)

저장 장치는 데이터를 장기적으로 저장하는 역할을 합니다.

저장장치종류	속도	설명
HDD (하드 디스크 드라이브)	🐢 느림	기계식 디스크 기반 (초당 100~150MB)
SATA SSD	🚀 빠름	반도체 기반, 일반적인 SSD (초당 500MB~600MB)
NVMe SSD	⚡ 매우 빠름	PCIe 인터페이스, 초당 3,500MB 이상

💡 실제 사례:

• 최신 노트북에는 대부분 NVMe SSD가 기본 탑재됨.
• 서버와 데이터센터에서는 고용량 HDD(10TB 이상) + SSD 캐시 조합을 사용하여 최적의 성능 제공.

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🔹 5. 입출력 장치 (I/O Devices)

컴퓨터는 입출력 장치를 통해 사용자와 데이터를 주고받습니다.

입력 장치	출력 장치
키보드, 마우스	모니터, 스피커
터치스크린	프린터
카메라, 마이크	VR/AR 장치

💡 실제 사례:

• USB 3.2, Thunderbolt 4, PCIe 5.0 등의 최신 인터페이스가 입출력 속도를 극대화함.

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🔹 6. 데이터 전송을 담당하는 버스 (Bus)

버스(Bus)는 컴퓨터 내부에서 데이터를 전달하는 통로입니다.

버스 종류	설명
데이터 버스	CPU ↔ RAM 사이의 데이터 전달
주소 버스	CPU가 메모리 위치를 지정
제어 버스	데이터 전송 흐름을 제어
PCIe (Peripheral Component Interconnect Express)	그래픽 카드, NVMe SSD 연결
USB (Universal Serial Bus)	외부 장치 연결 (USB 3.2, Thunderbolt 4)

💡 실제 사례:

• 최신 PCIe 5.0 SSD는 초당 13GB 속도를 제공하여 기존 SATA SSD보다 20배 이상 빠름.