컴퓨터와 컴퓨팅

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컴퓨터와 컴퓨팅

하드웨어 

하드웨어란?

하드웨어는 컴퓨타를 물리적으로 구성하는 요소이며, 컴퓨터에 연결되어 추가적인 기능을 수행

컴퓨터의 하드웨어 구성요소

중앙처리장치, 기억장치, 입출력장치

중앙처리장치(Central Processing Unit, CPU)

중앙처리장치는 프로레서라 불리기도 하며, 입력장치에서 받은 명령을 실제로 처리

# 기가헤르츠(GHz): CPU가 1초에 얼마나 많은 연산을 할 수 있는지 속도를 측정하는 단위

기억장치

입력된 명령이나 데이터가 저장되는 공간으로, 주기억장치와 보조기억장치로 나뉨

주기억장치: RAM이 대표적.

RAM: 기억된 정보를 읽어내기도 하고 다른 정보를 기억시킬 수 있는 메모리로서, 응용 프로그램을 일시적으로 불러오거나, 데이터를 일지적으로 저장하는 데 사용되는 임의 접근 기억 장치

 

보조기억장치: 하드디스크, SSD(Solid State Drive), 플래시 드라이브

SSD는 하드디스크와 달리 움직이는 부품 없이 더 빠른속도로 데이터를 읽고 쓰나 가격이 비싼 단점

입출력장치

입력장치 + 출력장치

마우스, 키보드, 스캐너 등

입력장치: 사용자가 입력한 자료를 컴퓨터가 이해할 수 있는 형태로 변환하는 장치

출력장치: 모니터, 프린터

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기억장치

기억장치

컴퓨터가 계산을 수행하기 위해 비트와 바이트의 형태로 기억장치에 저장할 수 있어야 함.

CPU 캐시, 하드디스크, RAM

CPU: 용량이 매우 큰 파일이나 데이터를 처리해야 하지만, 한번에 32 또는 64bit의 블록 단위로 굉장히 적은 양의 데이터를 조작하고 계산.  중앙처리장치는 이러한 비트들을 굉장히 빠른 속도로 처리 가능

 

하드디스크: CPU보다 훨씬 많은 양의 데이터를 저장. 

많은 양의 데이터를 기억장치에 저장 가능,but 데이터 읽고 쓰는 데에 많은 시간이 소요

 

RAM: 이 중간에 있는 것이 임의 접근 기억장치

RAM은 하드디스크보다 훨씬 빠르게 데이터를 읽고 쓸기 가능. 실행중인 프로그램이나 열려있는 파일들이 더 빨리 접근될 수 있도록 메모리를 저장하는 데에 사용

L1, L2, L3 캐시

L 캐시: RAM보다 빨리 정보 일고 쓰는 더 작은 단위의 기억장치로, 용량이 작음.

L1캐가 셋 중 가장 작고 빠르며, 중앙처리장치가 재빨리 받아 처리 가능토록 작은 단위의 데이터만 저장

숫자가 커질 수록 용량이 크나, 그만큼 더 느리림

but 속도  L 캐시 > RAM

 

# 근래 운영체제는 가상 기억장치를 통해 일시적으로 데이터를 RAM에서 하드디스크로 옮기고, 사용자가 필요할 떄 다시 정보를 불러옴

# 기억장치를 계층으로 나누면 효과적으로 시스템의 성능을 향상시킬 수 있으며, 가격대 성능비를 개선할 수 있음.

기억장치의 성능 평가요소

1. 용량: 저장할 수 있는 데이터의 총량(주소 지정단위[1 word]의 저장공간의 나열)
2. 접근속도
   접근시간(일기 쓰기 명령도착 후 그에 대한 처리가 완료되기 까지의 시간)
   데이터 전송률(단위 시간동안 읽을 수 있는 비트 수)
3. 기억장치의 대역폭
   한 번에 전송할 수 있는 비트 수(=전송 단위), 내부기억장치 = 데이터 버스 선의 수, 외부기억장치 = 블록
4. 가격

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비트와 바이트

비트(bit, binary digit)

정보를 저장하고 연산을 수행기 위해 컴퓨터에 사용되는 최소 측정 단위.

0과 1, 두 가지 값만 가질 수 있는 측정 단위

하나의 비트는 0과 1 두 가지의 값만 저장할 수 있으며, 컴퓨터 내부에서 물리적으로 표현될 때 켜고 끌수 있는 스위치라 비유

(켜기 = 1, 끄기 = 0)

바이트(byte)

많은 양의 데이터를 처리하기 위한 비트의 조합으로 여덟 개의 비트가 모여 만들어진 것.

2^8 = 256 개의 서로 다른 바이트가 존재

 

2진수

2^10 = 1킬로

2^20 = 1메가

2^30 = 1기가

2^40 = 1테라

2^50 = 1페타

=> 10제곱 씩 더해지면 0이 세개씩 붙는다

 

킬로바이트의 정확한 표기: KB = 1024 byte

1킬로바이트 1kb = 1000 byte

바이트 크기
기호(이름)	값	기호	값
kB(킬로바이트)	1000^1 = 10^3	KB	1024^1 = 2^10
MB(메가바이트)	1000^2 = 10^6	MB	1024^2 = 2^20
GB(기가바이트)	1000^3 = 10^9	GB	1024^3 = 2^30
TB(테라바이트)	1000^4 = 10^12	TB	1024^4 = 2^40
PB(페타바이트)	1000^5 = 10^15	PB	1024^5 = 2^50
EB(엑사바이트)	1000^6 = 10^16	EB	1024^6 = 2^60

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2진수

비트: 이진법의 최소단위로, 숫자 0, 1로 신호를 나타내는 최소 단위

비트를 가지고 수학적 연산을 위해 컴퓨터는 0과 1만을 사용하느 2진수 체계 사용

 

컴퓨터는 전기적 신호 켜짐(1)과 꺼짐(0)을 이용하여 작동

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ASCII코드

ASCII코드

컴퓨터는 0과1 로된 데이터만 저장이 가능 -> 0과 1로 텍스트 문자 나타냄

ASCII(아스키)는 문자를 컴퓨터가 이해할 수 있는 이진 데이터(0 또는 1)로, 혹은 그 반대로 변환하는 표준 방법

ASCII 인코딩 표준

출처: https://shaeod.tistory.com/

알파벳의 경우 대문자는 65 - 90번째, 소문자의 경우 97 - 122번에 해당한다.

컴퓨터가 대문자 'A'를 저장하고 싶다면 숫자 65를 이진수(2진수 1000001)로 저장, 그 다음의 25개 값들은 다른 대문자 25개와 대응

소문자 'a'는 숫자 97(2진수 1100001)로 대문자와 소문자는 32(2^5)의 자리수가 다르다.

=> ASCII에서 소문자는 같은 대문자 글자보다 항상 2^5만큼 크다. 결과적으로 이진수에서 2^5의 자릿수만 바꾸면 되기 때문에 소문자와 대문자 간의 변환이 용이

ASCII의 한계

기본 ASCII 코드 표는 7비트(2^7 = 128개의 문자)만 이용하여 모든 문자들을 나타냄

확장 ASCII는 8번째 비트를 추가하여 총 256개의 문자를 나타낼 수 있다.

 

하지만 문자는 256개보다 많기 때문에 더 많은 문자들을 포함할 수 있는 유니코드(Unicode)가 생김.

유니코드는 100만개 이상의 문자들을 나타낼 수 있는 문자 인코딩 표준으로, 유니코드의 첫 128개의 문자는 ASCII의 128개 문자와 동일하므로 서로 호한됨.

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16진수

16진수

컴퓨터과학에서 숫자를 10진수나 2진수 대신 16진수(Hexadecimal)로 표현하는 경우가 많음

컴퓨터에서 데이터를 처리하기 위해 16진수를 사용할 때 장점이 존재

16진수를 사용하면 10진수보다 2진수를 간단하게 표현

16진수: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f로 구성

 

2진수를 16진수로 표현할 경우 표현이 훨씬 간단해지며 컴퓨터는 8개의 비트가 모인 바이트 단위로 정보를 표현

2개의 16진수는 1byte의 2진수로 변환

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이미지

이미지

비트맵(.bmp), JPG(.jpg), PNG(.png), GIF(.gif)등의 이미지 파일형식이 존재

각 파일 유형들에 장점과 단점이 존재

사진 파일에 들어있는 정보

각각의 이미지 파일은 보통 첫 부분에 파일을 구분할 수 있는 구분자를 넣어둠

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가상 현실과 증강 현실

가상현실(Virtual Reality)

가상현실 의미 자체로 현실에 존재하지 않는 가상의 공간을 만든 것이다.

가상현실의 원리

인간의 양 눈은 서로 떨어져있기 때문에 각각 보는 각도가 달라, 양안시차가 발생 -> 원근감을 느끼고 물체를 입체적으로 인식

이 원리를 이용하여 VR기기 양 렌즈에는 사람의 양안 시차만큼 다른 각도로 촬영된 영상이 재생되어, 영상의 입체감이 느껴짐.

또한 사람이 바라보는 방향에 따라 영상을 바꾸기 위해 모션 트래킹 센서를 사용

증강현실(Augmented Reality)

가상현실과 기본적으로 비슷하나, 사용자에게 기존의 주변환경과 분리된 전혀 다른 환경을 경험하게 하지 않고 현재의 환경 위에 양상, 게임 등의 효과를 입히는 기술

증강 현실의 원리

현실의 환경에서 가상의 이미지가 겹쳐서 보여지는 것

 

카메라와 디스플레이가 함께 있는 기기 필요. 카메라를 통해 사람의 시선이 닿는 장면이 기기에 들어오고 디스플레이에서 출력될 때 가상의 이미지가 덧붙여서 보임.

사람의 시선(카메라의 위치)를 계산하기 위해 위치와 기울기 측정 센서 필요