과학/창업

에너지

태양에서 양자까지

제 3-2 강 컴퓨터

컴퓨터

컴퓨터의 핵심 장치 CPU를 요약하여 설명하면 『Fetch(명령어를 불러옴)→ Decode(명령어 해석)→ Execution(명령어 실행)→ Process(일하는 공정)』 입니다.

좀 더 자세히 살펴 봅니다.

6. 컴퓨터 시스템
컴퓨터 시스템은 하드웨어(Hardware, HW)와 소프트웨어(Software, SW)로 구성됩니다. 하드웨어는 컴퓨터 본체이고, 소프트웨어는 컴퓨터 본체가 작동하도록 명령어로 제어하고 지시하는 프로그램(Program, PG) 입니다.

컴퓨터는 *논리(Logic) 처리와 수리(Arithmetic) 연산 기계*로서 컴퓨터 본체와 프로그램이 일체가 되어 작동합니다. 하드웨어와 소프트웨어는 컴퓨터 시스템을 일사불란(一絲分亂)하게 작동시킵니다.

컴퓨터 시스템의 구성과 작동 절차(컴퓨터 명령어 제어 절차)를 기록한 컴퓨터 설계도를 마이크로 아키텍처(Micro Architecture) 또는 컴퓨터 아키텍처 이라고 합니다. 컴퓨터 아키텍처는 Hardware 입니다. 아키텍처는 앞에서 살펴 본 디지털 논리 회로를 사용하여 만듭니다.

컴퓨터 아키텍처를 그림으로 설명합니다.

이하 컴퓨터 Hardware 구성 요소를 살펴 봅니다.

가. CPU
중앙처리장치(Central Processing Unit, CPU)는 제어 장치(Control Unit, CU), 산술논리장치(Arithmetic Logic Unit, ALU)와 레지스터(Register)로 구성됩니다.

CPU는 컴퓨터 시스템의 핵심 장치로서 컴퓨터에 명령 된 작업(Task)을 실행(Execute)합니다. 다시 말하여, Hardwar와 이것을 작동시키는 운영체제(Operating System, OS)가 함께 작용하여 명령 받은 일을 처리하는 것입니다. 운영체제는 Software의 핵심으로서 뒤에서 자세히 설명합니다.

노트북(Notebook) 컴퓨터나 스마트폰에 들어가는 CPU는 초소형 논리회로 IC(Integrated circuit, 집적회로)로 구성된 마이크로프로세서 (Microprocessor)입니다. 연산이라는 용어는 영어 Operation (Processing)입니다. 연산은 논리 처리와 산술 계산 입니다.
CPU 구성도를 그림으로 설명합니다.

이하 CPU 구성 장치를 하나씩 설명합니다.

나. Control Unit
제어 장치(Control Unit, CU)는 컴퓨터의 다양한 장치를 관리하고 그 장치들의 작업을 제어(통제)합니다. 제어장치는 프로그램의 명령어를 메모리로부터 적절한 순서로 인출하여(Fetch) 이를 해석하고 (Decode), 해석된 내용을 동작을 제어 신호로서 ALU에게 지시합니다(Instruct). 그리하면 지시 받은 ALU는 제어 명령어(Instruction) 내용대로 작동(연산)하는 것입니다.

제어장치 작동 절차를 설명하면 그 구조와 작동 순서를 잘 알 수 있습니다. 이 작동 순서가 컴퓨터 기능의 핵심 입니다. 그림으로 설명합니다.

CU의 제어 순서를 설명합니다.

①주기억장치(RAM)에 있는 명령어를 인출(Fetch)하여 제어장치(Control Unit, CU)에 전달한다.

②RAM은 프로그램 카운터(Program Counter, PC) 레지스터에 다음 명령어 인출에 대비하여 PC에 있는 명령어 주소(Instruction Address)에 1을 더하여 다음 실행을 준비한다.

③CU의 명령어 레지스터(Instruction Register, IR)는 전달 받은 명령어를 저장하고, 명령어 해독기(Decoder)에 전달한다.

④Decoder는 해석한 명령어를 제어신호 생성기에 전달한다.

⑤제어신호 생성기는 명령어 제어 신호를 생성하여 ALU에 전달한다.

⑥ALU는 명령어를 실행(Execute)하여 그 결과를 모니터에 전달하고, CU의 저장 명령어(컴퓨터 저장 기능 아이콘)에 의하여 RAM에 전달한다.

⑦출력장치는 전달받은 데이터를 모니터에 나타내고, 프린터는 그 데이터를 인쇄한다.

⑧RAM은 전달 받은 연산 결과 데이터를 저장한다.

컴퓨터는 한 번에 하나의 명령어만 수행하기 때문에, 최초 명령어 작업이 끝나면 바로 이어서 다음 명령어 작업을 수행합니다. 이렇게 명령어가 연속적으로 수행되는 것은, 컴퓨터 프로그램의 알고리즘이 해당 작업을 분해하여 하나의 작업만 수행하도록 되어 있기 때문 입니다.

그러나 컴퓨터는 작업을 잘게 쪼개서 수행하더라도, 빛 속도의 70~80% 인 전류의 속도로 작동하기 때문에 순식간에 연산을 끝내는 것입니다. 원래 전기의 속도는 빛과 같으나 전선 속을 흐르는 과정에서 저항을 받기 때문에 전류는 70~80%의 속도만 나오는 것입니다.

여기서 초속 3십만 km의 속도로 달리는 빛의 속성을 설명합니다. 태양빛의 성질과 활용도를 알아 봅니다.

지구에 비추는 빛 중에서 태양빛이 가장 강합니다. 별빛도 있지만 이 별들은 지구에서 너무나 멀리 떨어져 있기 때문에 태양빛 보다 약한 것입니다.

태양빛은 파동입니다. 그 파동은 파장, 진폭과 진동수를 가집니다. 파동의 성질을 그림으로 설명합니다.

파동(Wave) 으로는 광파, 전자기파, 물결 파동, 소리 파동 등이 있습니다.
파동은 파장, 진폭과 진동수 속성을 가지면서 출발점, 마루와 골을 순환하면서 나아갑니다.
파장(Wavelength)은 골과 골 또는 마루와 마루 사이의 길이를 말합니다. 진폭(Amplitude)은 출발점에서 마루까지의 높이나 골까지의 깊이가 가지는 폭입니다. 진동수(Frequency)는 1초 간에 반복되는 파장의 숫자를 말합니다. 헤르츠(HZ)를 단위로 사용합니다. 1 HZ는 1초 간에 1번 진동하는 파장의 속도를 말합니다.

태양빛은 전자기파로서 그 진행 속도는 1초에 3십만 Km를 나아갑니다.

태양빛은 파장이 짧은 순으로

① 감마선 ② X선 ③ 자외선 ④가시광선(빨주노초파남보) ⑤ 적외선 ⑥ Radio파(전파)로 구성됩니다.
감마선은 핵폭탄에서 나오는 광선 이며 인체에 아주 위험합니다.

이 기회에 핵폭탄의 위력과 피해를 알아 봅니다. 핵폭탄이 폭발하면 감마선, 잔류 방사능, 폭발 충격파, 열 복사 등의 피해를 줍니다. 감마선은 인체의 세포를 파괴하고, DNA 구조를 파괴하며, 암을 유발하는 등 인체에 아주 유해합니다. 핵폭발은 지구의 환경에 엄청난 피해를 주는 대재앙 입니다. 핵폭발은 그 잔류 방사능이 완전히 없지는 데 약 1년정도 걸리지만(히로시마의 경우), 핵발전소의 폭발 사고 시 잔류 핵물질은 수백 년의 반감기가 지나야 완전히 없어집니다(스리마일 섬, 체르노빌, 후쿠시마).

X선은 병원의 X Ray 촬영기에 사용합니다. 자외선(넘보라살)은 한여름의 태양빛 이며 너무 오래 쬐면 위험합니다. 적외선(넘빨강살)은 혈액순환을 돕는 등 인체에 유익하지만, 너무 과도하면 오히려 해롭습니다. 라디오파는 *라디오 소리 방송*에 사용합니다. 목소리를 변조하여 라디오파에 실어서 방송을 하고, 라디오가 이를 다시 복조 하여 목소리로 들려 줍니다.

텔레비전은 『라디오파(신호 전송), 기기 제어(적외선), 화면 출력(가시광선), 소리 출력(라디오파) 공정』에 태양빛(전자기파)를 유효 적절하게 사용합니다.
인터넷에 사용하는 전파는 태양빛의 전파를 사용할 수도 있으나, 너무 약하기 때문에 별도의 인공 전파를 만들어서 사용합니다.

다. ALU
산술논리장치(Arithmetic Logic Unit, ALU)는 산술 연산(Arithmetic Operation)과 논리 연산(Logic Operation)을 수행(遂行)합니다. 산술 연산은 가감승제(加減乘除) 사칙 계산을 말합니다. 대표적 산술 연산 장치는 가산기(Adder) 입니다.

논리 연산은 디지털 논리 회로가 수행하는 연산 장치를 말합니다. AND, OR, NOT, XOR 등의 디지털 논리 Gate를 적절히 조합하여 참과 거짓으로 판단하는 논리 연산을 하는 것입니다. 이런 논리 Gate가 조합논리회로와 순차논리회로의 작동원리대로 논리 연산을 하는 것입니다.

ALU의 구조와 작동 절차를 살펴 봅니다. ALU의 작동 절차는 아주 복잡합니다. 그림을 먼저 살펴 본 이를 설명하면 조금 쉽게 이해를 할 수가 있습니다.

ALU의 구조를 살펴 봅니다.
①논리 연산 장치(Logic Unit, LU)
디지털 논리 장치로 구성됩니다. AND 장치, OR 장치, NOT 장치, XOR 장치, NAND 장치 등이 있습니다.

②산술 연산 장치(Arithmetic Unit, AU)
가산기, 감산기, 승•제산기로 구성됩니다. 가산기는 뒤에서 자세히 설명합니다. 감산기는 피감수(被減數)의 보수(補數)를 구하여 감수와 더하여 계산합니다. 승산 방법은 뒤에서 간략히 살펴 봅니다. 제산기는 매우 복잡하고 어려운 논리 회로를 적용하기 때문에 설명을 생략합니다.

③시프트 연산 장치(Shifter)
비트 단위에서 왼쪽으로 한 비트씩 밀어 올리는 시프트(Shift Left, SHL)와 오른쪽으로 한 비트씩 밀어 내리는 시프트(Shift Right, SHR)가 있습니다.

④비교 연산 장치(Comparator, CMP)
입력 숫자를 비교하여 등식과 부등식으로 나타냅니다.

⑤Zero 검출기

연산결과가 Zero인 것을 나타냅니다. Zero 인 연산 결과를 제로 플래그(Flag)라고 합니다.

이어서 ALU의 작동 절차를 살펴봅니다.
① ALU는 입력 자료 Data A와 Data B를 입력 받아서

② 논리게이트에서 논리 연산을 합니다.

AND 연산, OR 연산, NOT 연산, XOR 연

산을 하여 그 결과를 출력 Data로 출력 합니다. 논리게이트는 조합 연산 장치와 순차 연산 장치의 구성 요소로 쓰입니다. 조합 논리 장치와 순차 논리 장치는 앞에서 간략히 설명했습니다.

③ 가산기(ADD)에서 더하기 계산을 하여 Data로 출력 합니다. 가산 과정에서 자리 올림(Carry)이 발생하면 이를 출력 하여 다음 단위 가산 절차에 사용합니다. 예를 들면 1+1은 합(Sum) 0과 자리 올림(Carry over) 1을 생성합니다.

④ Shifter 레지스터는 자리(Bit)를 왼쪽이나 오른쪽으로 한 자리씩 밀어 올리거나 밀어 내리는 기능을 합니다.
이 기능은 이진수 보수(Complement)를 구하는데 사용합니다. 예를 들면 10-1의 감산은 -1의 보수 +1을 구하여 가산하고(10+1) 그 결과 11의 앞자리를 버리고 1을 답으로 구합니다. 10(2)-1=1이 나오는 것입니다. 이 절차는 이진수(0 과 1)를 사용하기 때문에 십진수와 혼동되지 않도록 주의를 기울여야 합니다. 컴퓨터의 감산 계산시 보수 이용(Shifting)은 이런 원리로 수행합니다.

⑤ CMP(Compare) 레지스터는 입력 숫자 Bit A와 Bit B를 비교하여 A=B의 등식과, A〉B 혹은 B〉A의 부등식을 출력 합니다. 또한 A와 B의 작동 결과 0이 나오면 Zero를 출력하는 것입니다. 이런 결과를 상태라고 하며 Flag라는 기능으로 표현합니다. 등호 Flag, 부등호 Flag, Zero Flag 등과 같이 출력합니다.

라. 레지스터
컴퓨터의 산술이나 논리 연산(Operation)은 명령어를 실행하여 수행 됩니다. 명령어(Instruction)는 제어장치의 제어 활동이 가리키는 대로(SW) 해당 장치(HW)에서 연산 작업이 수행되도록 합니다.

앞에서 살펴본 레지스터는 논리회로 입니다. 여기서 설명하는 레지스터는 Hard Ware 으로서 장치 입니다.

레지스터의 제어 활동은

ⓛ 인출(Fetch, Read)→ ② 명령 내용 해석(Decode)→ ③ 실행(Execute)→ ④ 실행 결과 메모리에 저장 (Store, Write) 순으로 수행됩니다.

레지스터(Register)는 컴퓨터 연산 과정에서 연산 중간 과정의 임시 데이터를 일시적으로 특정 레지스터(Register A)에 저장하거나, 이를 다른 레지스터(Register B)로 이동하는 장치입니다.
레지스터는 데이터를 일시적으로 저장하는 기능이기 때문에 메모리(Memory) 기능인 플립 플롭(Flip-Flop)으로 구성됩니다. 플립 플롭은 하나의 데이터 비트(1 Bit)를 저장하는 메모리(기억)장치입니다. 따라서 8비트 레지스터는 8개의 플립 플롭으로 구성됩니다.
플립 플롭 회로는 앞에서 설명 했습니다.

레지스터(Register)의 종류를 설명합니다.
①프로그램 카운터(Program Counter, PC)
프로그램 카운터는 메모리에서 인출하여(Fetch) 가져올 명령어의 주소를 저장합니다. 컴퓨터의 명령어는 메모리 내에서 주소(Address)와 데이터(Data)로 짝을 이루어 저장됩니다. 이 경우 명령어의 주소를 가리키는 레지스터가 PC 입니다. PC는 한 명령어가 인출되어 가면 주소의 숫자가 하나 올라가서 다음 명령어를 인출할 준비상태를 유지합니다.

②명령어 레지스터(Instruction Register, IR)
명령어 레지스터는 메모리에서 해석하기 위하여 읽어 들인 명령어를 저장하는 레지스터 입니다.

③메모리 주소 레지스터(Memory Address Register, MAR)
메모리 주소 레지스터는 메모리에 있는 주소를 저장하는 레지스터 입니다. 메모리에 저장된 명령어나 데이터는 주소와 데이터를 짝으로 구성됩니다.

④메모리 버퍼 레지스터(Memory Buffer Register, MBR)
메모리 버퍼 레지스터는 메모리와 주고 받을 값(명령어와 데이터)을 저장하는 레지스터 입니다. 메모리 버퍼 레지스터는 메모리 데이터 레지스터(Memory Data Register, MDR) 이라고도 합니다.

⑤플래그 레지스터(Flag Register, FR)
플래그 레지스터는 레지스터에 저장하는 데이터의 상태를 나타내는 레지스터 입니다.

데이터의 값이 음수 인지 혹은 양수 인지를 나타낼 경우, 데이터가 음수이면 1 또는 양수 이면 0으로 그 상태를 표시하는 레지스터를 부호 플래그 이라고 합니다. 데이터가 0임을 나타내는 제로(Zero)플래그, 가감산기의 연산 결과 자리 올림(Carry over)이나 자리 빌림(Borrow down)을 나타내는 캐리 플래그 등이 있습니다. 자리 올림과 자리 빌림은 십진법 가감산 시에 1자리에서 10자리로 자리올림 하거나, 10자리에서 일자리로 자리 빌림을 하는 경우와 같이, 1의 올림과 빌림으로 이해하면 됩니다.

⑥범용 레지스터(General Purpose Register, GR)
앞에서 설명한 것처럼 사용 방법이 지정된 레지스터 이외에 다양한 기능을 수행하는 레지스터 입니다. 예를 들면 가산기에서 GR 3개를 사용하여, 1+2=3을 계산하는 절차는 GR0(1) + GR1(2)의 값 3을 GR2에 저장처럼 사용합니다.

마. 가산기
가산기의 작동 절차를 보면 컴퓨터의 작동 방법을 잘 알 수 있습니다.
가산기의 그림을 보면서 설명합니다.

반가산기(Half Adder, HA)는 단 단위 가산에 사용하는 논리 회로 입니다. A와 B, 2비트를 입력하면 Sum과 Carry를 출력 합니다. 1+1을 설명합니다. 단 단위 비트 1과 비트 1을 더하면 Sum이 0이 되고 Carry가 1이 됩니다(1+1=10). Carry는 둘째 자리로 올라가서 가산을 합니다. 둘째 자리에서 Carry는 1이고 더 가산을 할 비트가 없으므로 1이 둘째 자리의 Sum이 됩니다. 답은 두 Sum을 합쳐서 10 입니다.

두 단위 이상의 가산은 Full Adder(FA)를 사용하여 가산을 합니다.
그 가산 결과로 답을 산정해 냅니다. *11+10*과 같은 두 단위 연산은 HA 두 개짜리 FA를 사용하고, *111+101*과 같은 세 단위 가산은 HA 3개짜리 FA를 사용합니다.

감산은 앞에서 설명한 대로 보수를 이용합니다. *피감산 수-감산 수* 의 감산식에서, 감산수의 보수(자리수 반전+1)를 구해 합산한 후, 둘째 자리 숫자는 버리고, 단 단위 숫자만으로 답을 구합니다.
11-01을 감산해 봅니다. 감산수 01의 보수는 11(단위수 반전 10+1) 입니다. 11+11=110입니다. 최상위 수 1은 버립니다. 10이 답입니다. 검산 3(11)-1(01)=2(10) 으로서 맞아 떨어집니다.

곱셈은 Shift Left기능을 사용합니다. 11X10을 설명합니다.

①승수의 단 단위가 0이면 0을, 1이면 1을 피승수에 곱합니다. ②승수의 둘째 단위는 1인 경우만 SFL을 합니다. ③단 단위 결과 11X0=00, ④승수 둘째 단위가 1이므로, 피승수 11을 SFL하면 110이 나옵니다. ⑤이제 이 둘을 더합니다. ⑥00+110=110이 됩니다. ⑦110이 정답입니다. ⑧검산을 하면, 11(3)X10(2)=110(6)으로서 110이 십진수 6이기 때문에 3X2=6으로서 정답인 것입니다.

나눗셈은 뺄셈을 이용하는데, 여기서는 생략합니다. 곱셈을 원용하는 것이라고 생각하면 이해가 옵니다.

바. 기억 장치
컴퓨터는 프로그램이 정한대로 ①입력자료를 연산하고 ②그 결과를 출력하며, ③동시에 다음에 활용하기 위하여 이를 저장하는 기능을 가지고 있습니다.
이렇게 입출력 자료 저장 기능을 수행하는 장치를 기억장치(Memory) 라고 합니다. 기억장치가 연산 결과를 저장하는 자료를 데이터(Data) 라고 합니다. 기억장치는 데이터 이외에 프로그램 내용대로 필요한 연산을 수행하도록 지시하는 명령어 (Instruction)도 저장합니다.

명령어와 데이터를 통칭하여 부르는 용어는 정보(Information) 입니다. 따라서 기억장치는 정보를 저장하여(Store) 유지하고(Maintain), 이를 사용하기 위하여 인출하는(Fetch) 기능을 수행하는(Execute) 장치 입니다. 기억장치는 주기억장치(Main memory)와 보조기억장치 (Auxiliary memory)가 있습니다.
기억장치와 연산 장치 사이에 정보가 흐르는 관계를 그림으로 설명하면 이해가 빠릅니다.

그림에서 CU는 Main Memory(RAM)에서 명령어를 불러와서 ALU가 연산을 하게 합니다. 연산결과는 다시 RAM(Random Access Memory)에 저장합니다. 연산이 끝나 컴퓨터를 끄면 RAM의 Memory는 사라집니다. 이런 메모리를 휘발성(Volatile) 메모리 이라고 합니다. 그렇기 때문에 중요한 연산 결과는 ROM(Read Only Memory)에 반드시 저장해야 합니다.

ROM(Nonvolatile)이 가득 차면 보조 메모리에 저장합니다. 워드, 엑셀과 파워포인트 작업 시에는 반드시 *다른 이름으로 저장*을 해야 합니다. 아니면 애써 작업한 정보가 사라져서 나무아미타불이 됩니다. 파일을 만들고 그 이름을 기억해야 다음에 요긴하게 활용할 수가 있습니다.

사. 입출력 장치
입출력 장치(Input & Output Device, I/O)는 컴퓨터 본체 외부에서 내부 시스템과 데이터를 입력하고 출력하는 장치 입니다. 입출력 제어장치, 입력 장치와 출력 장치로 구분합니다. 컴퓨터 본체와 입출력 장치 간의 데이터 흐름 구성을 그림으로 설명합니다.

In/Out 장치를 설명합니다.

①In/Out 제어장치
입출력 제어장치는 장치 컨터롤러(Device Controller)와 장치 드라이버(Device Driver)로 구성됩니다.
장치 컨트롤러는 CPU와 In/Out 장치간의 데이터 통신을 제어하고, 통신 오류를 검출하며 데이터 버퍼링(Buffering) 기능을 수행합니다. 데이터 버퍼링이란 데이터를 모았다가 일괄적으로 통신하는 것을 말합니다. 이렇게 함으로써 CPU와 In/Out 간의 통신 속도 차이를 해결 할 수 있는 것입니다.
장치 드라이버는 장치 컨터롤러를 감지하고 제어하는 프로그램 입니다. 장치 컨터롤러가 Hardware 인 반면 장치 드라이버는 Software 입니다.

②입력장치(Input device)
입력 장치는 컴퓨터에 문자를 입력시키는 Key Board, 음성을 입력시키는 마이크, 그림을 입력시키는 스캐너(Scanner)와 마우스 등이 있습니다.

③출력장치(Output device)
출력장치는 연산 결과를 자연어 정보로 보여주는 화면(Monitor), 문자와 그림을 복사해내는 프린터, 소리의 높낮이를 증감시키는 스피커 등이 있습니다. 커서(Cursor, I Beam Pointer) 클릭으로 앱을 실행 시키면 해당 내용이 출력 됩니다.

④통신 입출력 장치
통신 입출력 장치는 인터넷과 연결하는 모뎀(Modem), 네트워크 인터페이스 카드(Network Interface Card)와 무선 통신 랜카드(LAN Card) 등이 있습니다.

7. 컴퓨터 운영체제와 알고리즘

가. 운영체제
컴퓨터는 운영체제(Operation System, OS)를 작동시켜서 이용합니다. 운영체제는 컴퓨터 자원(Hard Ware)을 관리하고, 사용자(User)가 편리하게 컴퓨터를 사용하게 하는 Soft Ware(SW)/Program(PG) 입니다.

운영체제는 컴퓨터 시스템의 두뇌와 같습니다. 컴퓨터 본체는 CPU, Memory, In/Out Device, 보조 기억장치와 Peripheral(기타 장치)로 구성됩니다. 이 컴퓨터 본체에 사용자가 일을 시키기 위하여 운영체제를 만들어 컴퓨터 시스템에 장착하고, 이 OS를 실행시켜서 (Execution) 일을 합니다. 컴퓨터가 실행하는 일을 Job 또는 Task라고 하고, 컴퓨터는 컴퓨터 시스템 이라고도 합니다.

또한 컴퓨터를 사용하기 위하여는 컴퓨터 On/Off 스위치를 켜야(Booting) 작동 합니다. 컴퓨터 Booting은 스위치를 켠 후 시간이 좀 걸리는데, 이것은 컴퓨터가 작동 OS 프로그램을 불러오는 시간입니다.

컴퓨터 시스템이 하는 이런 모든 일은 OS가 담당합니다. 마치 사람의 두뇌가 생각과 행동 등 모든 일을 담당하는 것과 유사하여 OS를 컴퓨터의 두뇌 이라고도 부릅니다.
우선 OS의 개념을 그림으로 살펴봅니다.

OS의 기능은 다음과 같습니다.

①컴퓨터 자원관리: 컴퓨터 HW인 CPU, Memory, I/O Device, Peripheral등의 컴퓨터 본체 기계를 제 성능이 발휘되게 관리합니다.

②Process 관리: 컴퓨터가 실행하는 프로그램은 프로세스 관리를 통하여 작동합니다. 이런 업무를 프로세스 관리 이라고 합니다.

③Memory 관리: 컴퓨터의 기억장치 RAM, ROM, Cache Memory, Register, 보조 메모리 등을 안전하게 관리합니다.

④File & Disk 관리: 컴퓨터로 실행하는 모든 자료는 Memory로 저장을 하여 사용합니다. File은 데이터가 저장된 Memory의 이름입니다. Disk는 CD-ROM등 보조기억장치 입니다.

⑤I/O 관리: 컴퓨터에 데이터나 정보를 입력하고(Input) 출력하는 (Output) 기능입니다.

⑥Networking 관리: 컴퓨터 간에는 인터넷 망을 통하여 통신(Communication)을 합니다. OS와는 별도의 항목을 만들어 *Network 관리항*에서 설명합니다.

⑦오류 처리: 컴퓨터가 고장이 나지 않도록 관리하는 기능입니다. 상세 설명은 복잡하므로 생략합니다.

⑧System 보안 관리: 컴퓨터 시스템에 불법적으로 접속하는 각종 Virus, Worm 등의 보안관리를 말합니다. Networking 관리처럼 별도의 항목을 만들어 *컴퓨터 Security*에서 설명합니다.

이 중에서 Memory 관리는 데이터베이스 항목에서 추가적으로 설명 합니다. 그리고 Network 관리와 컴퓨터 시스템 보안 관리는 별도의 항목에서 좀 더 자세하게 설명합니다.

나. 알고리즘
⑴ 알고리즘의 개념
알고리즘은 수학 문제 풀이나 컴퓨터 Processing에 있어서, 어떤 문제 해결 방법에 대한 몇 가닥의 정해진 논리적 절차나 방법을 말합니다. 다시 말하여 계산을 하기 위한 단계적 절차와 방법 또는, 문제 해결을 위한 처리 과정과 방법을 말합니다.

알고리즘은 ①어떤 문제 해결의 기초 자료를 입력하여 ②이를 논리적으로 처리한 후 ③그 결과를 출력함으로써 ④문제에 대한 해답을 구할 수가 있습니다. 그런 의미에서 알고리즘은 바로 CPU의 Processing Program과 같습니다.

알고리즘이라는 단어는 수학 문제 풀이에 관한 방법과 절차를 연구하여 발표한 어떤 수학자의 이름을 따와서 사용했습니다. 9세기경 페르시아의 수학자 아브 압둘라 무하메드 이븐 무사 알콰리즈미(Abu Abdulla Muhammad Ibn Musa al-Khwarizmi)의 이름을 따와서 라틴어화한 *Algorism*에서 유래하였습니다.

자연수 수열의 합을 함수로 구한 가우스는 가장 확실한 알고리즘의 개념을 알려줍니다. 1+2+3+…..+n 의 합 S=1/2•n(n+1)을 구상해낸 가우스는 아리스토텔레스, 뉴턴과 함께 세계 3대 천재로 이름을 올려 놓았습니다.

피보나치 수를 창안한 Leonardo Fibonacci는 황금률(Golden Mean) 이라는 특수한 비율로서 알고리즘을 이어오고 있습니다. 피보나치 수는 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21,34, 55, 89…의 수열로서, 앞의 숫자와 뒤의 연이은 숫자를 합한 수의 수열입니다. 뒤의 숫자와 앞의 숫자의 비율 *89/55=1.618이 바로 황금률*입니다. *직사각형의 가로와 세로 비율 『1.618:1』*이 가장 보기에 좋은 형상이라는 것입니다. 건축물이나 제작물의 디자인에서 많이 활용되고 있습니다.

포물선의 두 점 구간이 무한히 0에 수렴할 경우의 직선은, 그 *포물선의 수렴하는 점의 접선이라는 미분학*을 창안한 뉴턴과 라이프니츠도 알고리즘의 역사에 이름을 올려 놓았습니다.

라이프니츠의 *0과 1의 2진수학론*을 활용하여 불 대수를 창안한 조지 불도 알고리즘을 이어오고 있습니다. 앞으로 또 새로운 알고리즘이 나타날 것입니다.

⑵알고리즘 데이터 구조
알고리즘은 문제의 해결을 위한 방법의 절차이기 때문에 문제를 구성하는 데이터의 구조를 잘 정리해야 합니다. 정리된 데이터 구조는 다음과 같습니다.

①배열(Array): 데이터에 색인(Index)을 붙여서 순서를 정하여 나열한 데이터 구조입니다. 열(Column)과 행(Row)의 Matrix (격자)형으로 구성합니다.

②큐(Queue):가장 먼저 넣은 데이터를 가장 먼저 꺼낼 수 있도록(First In First Out, FIFO) 정리한 데이터 구조입니다.

③스택(Stack):가장 나중 넣은 자료를 가장 먼저 꺼낼 수 있도록(Last In First Out, LIFO) 정리한 데이터 구조입니다.

④트리(Tree):데이트를 계층별로 정리한 구조입니다. 나무가 줄기에서 가지를 치고 나가는 것처럼, 시작 노드(Node, 데이터의 한 개념이 형성되는 매듭)에서 아래를 향하여 계층적으로 가지를 쳐 내려가는 구조입니다. 상위 계층 매듭을 부모 노드라고 하며, 하위 매듭을 자식 노드라고 합니다. 트리는 자식으로부터 부모로 자료를 쌓아 올리는 구조이기 때문에 Heap(더미) 구조 이라고도 합니다.

생물을 분류하는 체계를 보면 노드의 개념을 바로 이해할 수 있습니다. 생명은 역(域)→ 계(界)→ 문(門)→ 강(綱)→ 목(目)→ 과(科)→ 속(屬)→ 종(種)으로 체계를 지어서 분류됩니다. 이렇게 체계를 지은 트리 데이터 구조에서 역, 계와 같은 각 단위를 노드 이라고 부릅니다.

⑵ 알고리즘 방법과 절차
알고리즘은 주어진 데이터를 사용하여 목표의 해답을 찾아내는 방법과 절차입니다. 그 방법의 내용을 살펴봅니다.

컴퓨터에서 메모리 데이터는 방대한 양이기 때문에 정리를 잘 하여야 쉽게 찾아 활용할 수가 있습니다. 저장된 데이터를 탐색하는 알고리즘을 설명합니다.

①탐색(Search) 알고리즘: 파일에 들어있는 데이터를 조사하여 원하는 데이터를 찾는 알고리즘 입니다. 효과적으로 자료를 탐색하기 위하여는 그 자료를 잘 정리해야 합니다. 배열을 사용하여 정리한 자료가 가장 효과적으로 탐색할 수가 있습니다.
탐색하려는 자료는 항목으로 구성되고, 그 항목 중 다른 것과 구별할 수 있는 핵심적인 사항 즉, 키(key)가 들어 있습니다. 이것을 탐색키 이라고 합니다. 탐색은 바로 자료의 탐색키를 가진 항목을 찾는 방법입니다.

②정렬(Sort) 알고리즘: 파일의 숫자 데이터를 어떤 기준에 따라서 정렬시키는 알고리즘 입니다. 오름차순으로 정렬하는 것과 내림차순으로 정렬하는 방법이 있습니다.

③최단 경로 찾기 알고리즘: 최단 경로는 어떤 한 지점에서 다른 지점까지의 가장 가까운 거리를 말합니다. 그 길을 찾는 알고리즘이 최단 경로 찾기 알고리즘입니다. 한 지방에 5개 마을이 있을 경우, 어떤 세일즈맨이 중복 없이 5개 마을 모두를 한번씩 방문하는 경로 찾기가 *세일즈 맨 최단 경로 찾기 알고리즘* 입니다.

④휴리스틱 알고리즘
컴퓨터는 알고리즘을 프로그램으로 실행시키는 SW에 의하여 작동합니다. SW는 가장 적절한 알고리즘을 사용하여 작성합니다.
인간은 수학 문제를 풀기 위하여 알고리즘 즉, 수학 공식이나 공리와 정리 등을 사용합니다. 그러나 모든 문제를 풀거나 사건을 해결하기 위하여 앞에서 살펴본 알고리즘 만을 사용하지는 않습니다.

휴리스틱 방법(Heuristic Method)을 사용하기도 합니다.

우리는 어떤 사물의 길이를 잴 때에 엄지손가락을 펴 눈앞에 대어서 그 사물을 눈대중하여 대략적인 길이를 알아낼 수가 있습니다. 이런 행동을 Rule of Thumb(엄지손가락 규칙)이라고 합니다. 바로 이 규칙이 휴리스틱의 일종입니다.

우리는 학창시절 어려운 시험문제를 풀 때에 도무지 알지 못하는 4지선다형 문제를 정확히 알지는 못하지만, 그래도 맞다고 생각하는 찍기로 풀어본 경험이 있습니다. 이 찍기도 휴리스틱의 일종입니다.

휴리스틱이란 오랜 경험과 시행착오(Trial Error)에 의하여 축적된 지식과 방법을 이용하여 문제를 풀고 사건을 해결하는 것을 말합니다. 이런 문제풀이는 우리 두뇌의 잠재의식에서 나오는 것이란 주장도 있습니다. *프로이트의 꿈의 해석 이론*에서 등장합니다. 열심히 공부를 하면 그 모두를 다 기억하지는 못하지만 휴리스틱 알고리즘에는 도움이 되는 법입니다.
휴리스틱(Heuristic)은 찾다(Find)라는 의미의 그리스어 단어 Heuristikein에서 유래하였습니다.

8. 컴퓨터 데이터 베이스, Network, 보안

가. 컴퓨터 데이터 베이스
컴퓨터로 작성한 대규모 데이터를 저장하고 처리하는 방법을 데이터 베이스 시스템 이라고 합니다. 데이터를 저장 처리 하는 데는 파일시스템과 데이터베이스의 방법이 있습니다.

연산 중인 데이터는 Memory 즉, Cache, Register, RAM, ROM에 저장하여 연산에 불러서 사용합니다. 연산이 끝나서 저장할 필요가 있는 데이터의 저장은 보조기억장치를 이용합니다.

그러나 데이터의 규모가 커지면 보조 기억장치로도 저장을 다 할 수가 없게 됩니다. 이럴 경우에 데이터 베이스를 사용합니다. AI Agent가 등장하면서 데이터 베이스 시스템의 구축이 활발하게 진행 됩니다.

파일시스템은 프로그래밍 언어에 의하여 직접 조작되고, 데이터베이스는 데이터베이스 관리시스템에 의하여 조작됩니다

⑴파일 시스템
파일 시스템은 데이터를 파일 형태로 자기 디스크, 플로피 디스크 등의 보조 기억장치에 파일을 구성하고 처리하여 이용합니다.
구성 방법은 순차적 구성(Sequential Organization)과 인덱스 구성이 있습니다. 순차적 구성은 데이터를 정리하여 그 순서대로 저장하는 것입니다. 인덱스 구성은 데이터에 인덱스를 붙여서 저장하는 것입니다.

컴퓨터 파일 저장 내용을 세분하여 설명합니다.
①데이터(Data): 어떤 사실로부터 얻어진 가공되지 않은 문서
②정보(Information): 데이터를 정해진 알고리즘에 의해 처리하여 의사결정을 할 수 있도록 정리해 놓은 자료 집합.
③필드(Field): 어떤 의미를 갖도록 하는 데이터의 모음.
④레코더(Record): 논리적으로 관련이 있는 필드들의 모음.
⑤파일(File): 논리적으로 관련이 있는 레코더들의 모음.

⑵데이터베이스 시스템
데이터베이스는 어떤 일에 관련된 데이터들의 집합을 의미합니다. 최근에는 인공지능에 빅데이터를 활용합니다.
DB를 체계적으로 관리하는 데이터베이스 관리 시스템(DataBase Management System, DBMS)을 설명합니다.
DBMS와 파일시스템을 예를 들어서 비교하여 설명합니다.

⑶DBMS의 정의: DBMS(Data Base Management System)는 DB를 저장하는 별도의 소프트웨어로서, 데이터를 관리하고 공유하고 활용할 수 있는 시스템입니다. 그 기능은 다음과 같습니다.

①정의: 데이터에 대한 형식, 구조, 제약 조건 등을 명시하는 기능.

②구축: DBMS 가 관리하는 기억장치에 데이터를 저장하는 기능

③조작: 특정한 데이터를 검색하기 위한 질의, 데이터베이스의 갱신, 보고서 생성 기능을 담당

④공유: 여러 사용자와 프로그램이 DB에 접근하도록 하는 기능

⑤보호: DBMS의 HW나 SW의 오작동 방지 및 악의적인 접근 차단 기능

⑥유지보수: DBMS의 정기적인 유지 보수를 담당하는 기능

나. Network
컴퓨터는 정보 통신망을 통하여 서로 연결되어 데이터를 주고 받습니다. 각 가정이나 직장에는 인터넷이 들어와서 노트북 컴퓨터나 스마트폰을 연결하여 세계 어디로든 통화를 하고 데이터를 보내고 받습니다. 이렇게 컴퓨터가 서로 연결된 망(網)을 네트웍(Network) 이라고 부릅니다. 네트웍을 정보통신망 이라고도 부릅니다.

정보 통신망은 정보 전송 시스템과 정보 처리 시스템으로 구성됩니다.
그림으로 설명합니다.

각 가정이나 직장의 정보 통신 이용자는 통신회사와 통신 서비스 계약을 통하여 정보통신 서비스를 제공 받을 수 있습니다.
우리나라는 통신회사가 과점 체제 입니다. KT, SK Telecom, LG U Plus가 통신서비스 제공 회사입니다.

각 가정의 경우 전화와 TV 복합 서비스를 제공 받습니다. 가정까지는 LAN 선이 들어오고, 가정 내에서는 공유기로 무선 서비스를 받습니다. 스마트폰은 무선으로 연결되고, 노트북은 유무선 통신이 다 가능합니다. LAN 선을 통하여 발신자의 전화나 SNS 멀티미디어 통신(문자, 음성, 동영상)이 계약된 통신회사의 정보 전송 시스템으로 전달 됩니다.

노트북은 컴퓨터로서 디지털 신호를 출력합니다. 정보 전송은 전기의 흐름 속에서 이루어 지기 때문에, 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸어 주어야 합니다. 노트북에는 모뎀(Modem) 이라는 신호 변환 장치가 있습니다. 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸어 주는 장치를 변조기(Modulator) 라고 하고, 다시 디지털로 변환해주는 장치를 복호기(Demodulator) 라고 합니다. 이 두 기능을 하는 장치를 Modulator와 Demodulator 에서 두음을 따와서 Modem 이라고 합니다. 스마트폰과 노트북에는 무선용 모뎀 기능이 각각 있습니다.

⑴인터넷 프로토콜 TCP/IP
인터넷 통신을 위하여는 프로토콜(Protocol)이 있어야 합니다. 프로토콜은 통신 규약 입니다. TCP/IP는 1960년대 미국 국방성에서 제정한 인터넷 프로토콜입니다. 1980년대에 세계 인터넷 프로토콜로서 채택되어 시행되고 있습니다.

TCP/IP 프로토콜은 인터넷 상 각각 연결 Host(컴퓨터)의 주소 지정과 Data의 전달 기능을 담당하는 규정입니다. 이 규정에서 정하는 방식대로 정보를 주고 받습니다.

⑵통신망의 종류
①인터넷: 인터넷은 TCP/IP 프로토콜을 기반으로 하여 전세계적으로 연결되어 있는 컴퓨터 통신 Network 입니다.
그 연결망은 대륙망(유라시아와 아프리카를 한 고리로 연결), 남북아메리카와 호주를 대륙망에 잇는 해저망으로 구분됩니다. 각국에는 국가망이 있고, 넓은 지역 WAN(Wide Area Network)과 좁은 지역 LAN(Local Area Network)으로 연결 됩니다. LAN에 각 기관이 연결되고 각 개인은 기관 소속이거나 ISP(Internet Service Provider)와 계약으로 연결 됩니다.

인터넷은 통신망이므로 송수신측이 인터넷 Site를 가집니다. 인터넷 사이트의 주소는 도메인 네임을 사용합니다. 인터넷의 또 다름 이름은 www(World Wide Web) 입니다. 그냥 Web라고도 부릅니다.
인터넷 사이트의 주소는 www//ABC Co. kr과 같이 사용합니다.

②광통신: 광통신은 전기통신시스템에 광통신시스템을 연결하여 구축합니다. 통신 케이블로는 광케이블을 사용합니다. 광케이블의 회선은 광섬유를 사용하여 Core와 이를 감싼 Clad로 구성합니다. Core로 광선을 흘리면 Clad가 Core 대비 굴절률 차이로 인하여 광선을 반사 시킴으로써 직진하게 만들어져 있습니다.

③LAN: LAN은 근거리통신망 입니다. WAN은 넓은 지역의 광역 통신망입니다. Intranet은 회사나 기관 등의 개별적인 통신망입니다.
LAN은 사무실, 학교, 건물 등 비교적 가까운 지역에 구축합니다. 조직이 큰 회사 등은 전용 통신망 Intranet을 구축하여 사용하고, 외부와는 LAN과 연결합니다.
LAN system은 연결선, LAN card와 NIC(Network Interface Card) 그리고 연결 장치로 구성됩니다.

④이동통신(Mobile Telecommunication): 이동통신은 움직이는 통신장비와 일반 유선 통신시스템 간의 무선 통신을 말합니다. 움직이는 통신장비는 스마트폰, 항공기, 선박, 열차와 자동차 등이 있습니다.

⑤위성 통신: 위성 통신은 지구의 적도 상공 36,000k의 정지궤도에 통신위성과 방송 위성을 띄워서, 지구의 자전 방향과 속도와 동일한 속도와 방향으로 운용하여 통신과 방송을 하는 통신/방송 시스템 입니다.
깊은 산속 오지, 섬과 선박과는 지상의 무선 통신으로는 통신이 불가능하여, 위성에 중계 시스템을 장착하고 이 중계 시스템을 매개체로하여 통신과 방송을 하는 것입니다.

적도 상공 36,000km 위치에는 세계 각국에서 쏘아 올린 통신/방송 위성이 수많이 돌고 있습니다. 우리나라는 아리랑 위성을 운용 중입니다.
차량 내비게이션(Navigation)의 GPS(Geographic Positioning System) 시스템을 위한 통신 위성은 지구 경도를 크게 2개로 나누어서, 동반구와 서반구로 하여 각각 3개씩 6개를 쏘아 올려서 운행합니다. 미국과 중국이 각각 경쟁적으로 운행 중입니다.

⑥전자상거래와 전자금융: 전자 상거래(E-Commerce)는 컴퓨터와 인터넷으로 구성된 전자적 시스템에서 상품이나 용역을 사고 파는 거래 행위를 의미합니다.
최근 직구 이라는 형태의 국경 뛰어넘는 전자상거래가 활황을 보이고 있습니다. 이커머스에 배달 시스템을 복합하여 『구매━결제━배송 시스템』으로 이커머스가 진화하였습니다. 스마트폰으로 이커머스 가상 시장에 접속하여 상품을 구매하고, 대금을 전자금융으로 결재하면, 배달서비스가 각 가정까지 그 상품을 배달해 줍니다.

전자 금융은 은행 거래가 『스마트폰━인터넷━암호―은행 서버』의 Network을 통하여 자동화된 시스템 입니다
.
⑦.모바일 컴퓨팅: 모바일 컴퓨팅(Mobile Computing)은 휴대용 스마트폰을 사용하여 언제 어디서나 무선 인터넷을 통하여 이루어 지는 컴퓨터 통신을 말합니다. 스마트폰에는 무선 인터넷 랜 카드가 설치되어 있습니다.

⑧클라우드 컴퓨팅(Cloud Computing): 컴퓨터를 여러 대 연결하여 복잡한 기능을 분리시켜서 작동하는 컴퓨팅 Networking 입니다. 알파고는 1,202대의 컴퓨터를 연결하여 작동하는 클라우드 바둑프로그램 입니다.
인터넷 상의 한 서버(Server) 컴퓨터에 유용한 정보를 장착해 놓고 스마트폰이 접속하여 그 정보를 검색하게 하는 VAN 서비스도 있습니다.

다. 컴퓨터 보안
컴퓨터 보안 관리는 정보 보안이라고 부릅니다.
정보 보안은 컴퓨터 시스템이나 Network에 대한 외부의 Virus, D-dos 등 악성코드나 웜(Worm)의 침입으로 인한 감염 및 전파의 문제를 방지하는 기능을 말합니다.

악성코드와 프로그램의 침입으로 컴퓨터 시스템과 Network이 감염 되고 이것이 전파되면 컴퓨터가 작동되지 않거나 Network에 이상이 생깁니다. 이런 이상 상태가 network을 통하여 다른 컴퓨터 시스템이나 개인 정보 기기로 확산 되게 됩니다.

정보 보안 업무는 전문적으로 컴퓨터 시스템이나 Network의 운영을 담당하는 조직과 그냥 컴퓨터를 사용하는 User의 것으로 구분할 수가 있습니다.

전문적인 업무는 내용도 복잡하고 어렵습니다. 여기서는 사용자가 유의해야 할 내용 중심으로 간략하게 설명 합니다.

⑴바이러스(Virus)
바이러스는 가장 기본적인 형태의 악성 코드로서 사용자의 컴퓨터에 침입하여 프로그램은 변경하거나 바이러스 자신의 프로그램을 복제하여 컴퓨터를 오염시킵니다. 바이러스에 오염되면 컴퓨터가 오작동하여 정상적인 기능을 수행하지 못하게 됩니다.
바이러스는 컴퓨터 부팅프로그램을 오염 시키거나 파일을 오염시키는 제 1세대 바이러스로부터 시작하여, 바이러스 프로그램을 암호와 하는 제 2세대 바이러스로 진화했습니다 제 3세대 은폐형, 제 4세대 다형성, 제 5세대 매크로형으로 진화를 거듭했습니다.

매크로(Macro)는 여러 개의 프로그램을 묶어서 하나의 키 동작으로 작동하는 기능입니다. 매크로 바이러스는 엑셀이나 워드 등 문서 파일의 매크로기능을 통해 감염을 시키는 바이러스 입니다.

바이러스는 백신이라는 프로그램으로 바이러스 프로그램을 없앨 수가 있습니다. 백신은 A3 가 유명합니다. 노트북이나 스마트폰에 앱을 다운로드 받아 저장해 두고, 정기적으로 오염 검사를 하여 적절한 조치를 받아야 합니다.

바이러스와 백신 프로그램은 창(Virus)과 방패(백신)의 관계로 비유할 수 있습니다. 새로운 바이러스가 출현하면 이를 퇴치하는 백신이 개발되고, 또 이 백신을 피해가는 새로운 바이러스와 치유 배신이 출현 합니다.

⑶ 웜(Worm)
웜은 네트워크를 통하여 감염되는 악성 코드입니다. 네트워크를 통하므로 이 연결된 여러 대의 컴퓨터를 감염시키고 전파됩니다. 웜이 첨부된 이상한 메일을 열어 봄으로써 감염됩니다. 대표적인 웜으로는 시스템 공격형 아고봇(Agobot), 웰치아(Welchia)등이 있습니다. 바이러스 치유처럼 웜의 경우도 웜 치유 프로그램을 설치하여 치유합니다.

회사나 기관 등 조직에 소속된 경우는 그 조직에 악성 코드 치유 정책이 존재하므로, 이 조직의 정책으로 컴퓨터 웜을 치유할 수가 있습니다. 개인의 경우는 자신의 실력으로 치유할 수가 없으면 컴퓨터를 구매한 회사의 서비스 센터를 통하여 치유를 받아야 합니다.

⑶암호화 기술
암호화 기술은 중요한 정보를 바로 읽기 어려운 값으로 변환하여, 제 3자가 알아볼 수 없도록 하는 정보 보호 기술 입니다.

암호화 기술은 수학적인 원리를 기반으로 정보를 변환 합니다. 인터넷에 컴퓨터 홈페이지(Site)를 만들 경우 사용하는 ID나 Password가 바로 암호화 기술 입니다.

특히 PW는 문자, 숫자와 특수 기호를 융합하여 만들어야 하고, 남에게는 보안을 철저히 지켜야 합니다. 전자 금융의 경우 PW를 도둑 맞으면 바로 거금을 도둑맞게 됩니다. 해킹의 주 목적도 타인의 PW를 도둑질 하는 데 있습니다.

스마트폰에 나의 ID나 PW를 절대로 저장해 놓아서는 안 됩니다. 탈취의 위험이 있기 때문입니다.

내 컴퓨터에 직접 데이터를 암호화 하려면 전문적인 기술이 있어야 합니다. 앱을 다운로드하여 전자 금융을 할 경우는 그 앱에서 제공하는 ID와 PW 기술을 그대로 따라하면 됩니다.

제 4강 인공지능으로 이어 집니다.

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