오늘은 현대의 사용되고 있는 컴퓨터의 구조에 대해 알아보는 시간을 가지도록 하겠습니다.
컴퓨터를 설계 관점에서 바라볼 때 1940년대 이후부터 현재에 이르기까지 거의 모든 컴퓨터는 폰 노이만의
'폰 노이만 구조'를 기반으로 이루고 있습니다.
폰 노이만?
폰 노이만 구조를 알아보기 전에 폰 노이만은 어떤 인물인지 간단히 알아보고 넘어가겠습니다.
폰 노이만은 컴퓨터 학자일 뿐만 아니라 물리학, 수학, 경제학, 화학 등 여러 분야에서 큰 영향을 주었던 인물입니다.
이러한 폰 노이만은 일생동안 150편의 많은 논문을 발표하였으며, 맨해튼 계획에도 참여하는 등 과학자들이 인정한
'천재 중의 천재'로도 유명합니다
폰 노이만 구조 이전 컴퓨터
폰 노이만의 '폰 노이만 구조'를 제안하기 전까지는 주로 에니악(ENIAC)이라는 컴퓨터가 사용되었습니다.
에니악은 1세대 컴퓨터로, 계산을 하려면 직접 진공관의 회로 스위치를 조정하여 새 입력을 처리하는
하드웨어 프로그램 방식으로 이루어져 있습니다.
새로운 컴퓨터 구조의 등장 폰 노이만 구조
폰 노이만 구조는 이전 컴퓨터 구조인 하드웨어 프로그램 방식과 반대로 프로그램 내장 방식 컴퓨터로써
이전 컴퓨터가 4+2, 5-3과 같은 두 가지의 명령을 수행하기 위해선 하드웨어의 전선을 직접
4, 더하기, 2, 5 빼기, 3을 의미하는 것으로 바꿔 끼워 입력해야만 했습니다.
그러나 폰 노이만 구조에서는 더하기, 빼기 기능을 담은 소프트웨어가 이미 메모리 안에 내장되어 있기 때문에
계산이 필요할 땐 메모리 안의 프로그램과 데이터를 CPU에 전달하여 계산을 처리합니다
폰 노이만 구조의 장점
앞서 말했듯 폰 노이만 구조를 사용하기 전에는 컴퓨터에서 다른 작업을 수행할 경우, 하드웨어 전선을 사람이 일일이
재배치를 해줘야 했기 때문에 인력과 시간이 많이 소모되어 여러 가지 작업들을 수행하기에 한계점이 있었습니다.
하지만 폰 노이만 구조의 도입 이후 하드웨어는 건들지 않고 프로그램(소프트웨어)만 교체하면 되는 방식으로
변경되었기에 편의성이 크게 증가하였으며, 다양한 목적으로도 사용이 가능해져 범용성 역시 향상되었습니다.
이는 현재까지 거의 모든 컴퓨터들도 폰 노이만 구조를 따르는 특장점이라고 할 수 있습니다.
폰 노이만 구조의 단점
폰 노이만 구조의 단점을 한 가지 뽑자면 병목현상을 뽑을 수 있습니다.
폰 노이만 구조는 인간의 사고과정을 참고하여 설계되었습니다.
연산을 마주했을 때, 기억을 불러와 계산하는 과정과 아주 유사한데, 이러한 방식은 치명적인 단점이 존재합니다.
바로 빠르게 계산을 처리할 수 있어도 기억을 불러오는 속도가 느리다면 전체적인 속도가 느려진다는 것입니다.
즉 계산속도가 기억장치 속도에 영향을 받는 것이라고 할 수 있으며,
이러한 이유로 기억장치의 속도가 전체 시스템의 성능 저하를 가져오는 현상을 폰 노이만 병목현상이라고 합니다.
폰 노이만 병목현상의 해결방안
위 문제를 해결하기 위한 다양한 기술과 구조들이 등장하였는데, 그중 하버드 구조에 대해 간단히 알아보겠습니다.
병목현상이 일어나는 가장 핵심적인 이유는 프로그램 메모리와 데이터 메모리가 물리적인 구분 없이 하나의
버스를 통해 CPU와 교류하기 때문입니다.
이러한 구조에서 CPU는 명령어와 데이터에 동시에 접근이 불가능하여 나열된 명령을 한 번에 하나씩만 읽고 쓰게 됩니다.
이에 반해 하버드 구조는 CPU가 명령어와 데이터를 동시에 사용할 수 있도록 명령용 버스와 데이터용 버스를 물리적으로 구분했기 때문에,
현재 명령의 처리를 끝냄과 동시에 다음 명령을 읽어 들일 수 있어 기존의 폰 노이만 구조보다 더 빠른 속도를 낼 수 있다는 이점이 있습니다.
출처
