Feat: [computerArchitecture] 컴퓨터구조와 데이터

Computer architecture/(책) 1. 컴퓨터 구조 시작하기.md

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+# 컴퓨터 구조의 큰 그림
+
+## 1. 컴퓨터 시스템의 구성 요소
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+컴퓨터 시스템은 크게 **하드웨어(Hardware)**와 **소프트웨어(Software)**로 나눌 수 있다.
+
+### 하드웨어(Hardware)
+
+중앙처리장치(CPU: Central Processing Unit)
+컴퓨터의 두뇌 역할을 담당하며, 프로그램을 해석하고 명령을 실행함.
+산술논리연산장치(ALU), 제어장치(Control Unit), 레지스터(Register) 등으로 구성.
+
+- 메모리(Memory)
+프로그램과 데이터를 저장하는 공간.
+CPU가 명령을 빠르게 실행하기 위해 직접 접근하는 **주기억장치(메인 메모리)**가 핵심.
+보조기억장치(HDD, SSD 등)는 대규모 데이터 영구 저장용.
+
+- 입출력 장치(I/O Device)
+사용자와 컴퓨터 간 상호작용에 필요한 장치들(키보드, 마우스, 모니터 등).
+
+### 소프트웨어(Software)
+
+시스템 소프트웨어와 응용 소프트웨어로 구분.
+대표적인 시스템 소프트웨어인 **운영체제(OS: Operating System)**는 하드웨어와 사용자(또는 응용 프로그램) 간의 인터페이스 역할.
+응용 소프트웨어는 특정 업무나 용도를 위해 사용자가 직접 사용하는 프로그램들(예: 워드 프로세서, 웹 브라우저 등).
+
+
+## 2. 컴퓨터 작동 원리의 기초
+
+컴퓨터는 기본적으로 폰 노이만(John von Neumann) 구조를 따른다.
+이는 **프로그램 내장 방식(Stored Program Concept)**으로 프로그램과 데이터를 메모리에 저장해두고,
+CPU가 순차적으로 명령을 가져와(인출 Fetch) 해석(Decode)하고 실행(Execute)하는 구조이다.
+
+- 폰 노이만 구조의 핵심 특징
+
+프로그램과 데이터를 동일한 메모리에 저장
+CPU와 메모리, 입출력 장치 간을 버스로 연결
+명령어를 순차적으로 처리(프로그램 카운터를 통해 다음 명령어 지시)
+
+**CPU의 기본 동작 사이클**
+
+1. 인출(Fetch): 메모리에 저장된 명령어를 CPU로 가져옴
+2. 해석(Decode): 명령어를 해석하여 어떤 연산을 할지 결정
+3. 실행(Execute): ALU 또는 다른 내부 구성요소를 동원해 실제 연산 수행
+이 과정을 반복하며 프로그램 전체를 순차 실행
+
+## 3. 운영체제의 역할과 기능
+
+운영체제는 컴퓨터 자원을 효율적으로 관리하고, 
+사용자나 응용 프로그램이 하드웨어 자원을 편리하게 사용할 수 있도록 돕는 관리자이자 중간 매개체이다.
+
+- 주요 기능
+
+1. 프로세스 관리
+프로그램을 실행 중인 상태(프로세스)를 관리하고 CPU 스케줄링 등을 통해 시스템 효율을 극대화한다.
+2. 메모리 관리
+프로세스가 필요한 메모리를 할당하고, 사용이 끝난 메모리를 회수하여 다른 프로세스가 사용하도록 한다.
+3. 저장장치(파일) 관리
+HDD, SSD 같은 보조기억장치에 데이터를 효율적으로 저장하고, 파일 시스템을 통해 쉽게 접근할 수 있도록 한다.
+4. 입출력 관리
+다양한 장치(키보드, 모니터, 프린터 등)로부터 데이터를 주고받는 과정을 제어하고 표준화된 인터페이스를 제공한다.
+5. 보안 및 권한 관리
+사용자 인증, 접근 권한 설정 등을 통해 시스템을 보호.
+6. 사용자 인터페이스 제공
+CLI(Command Line Interface)나 GUI(Graphical User Interface) 등을 제공해 사용자가 시스템과 상호작용할 수 있도록 한다.
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+- 운영체제의 종류 및 분류
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+단일 사용자 VS 다중 사용자 OS:
+예) MS-DOS(단일 사용자), UNIX(다중 사용자)
+단일 태스크 VS 멀티태스크 OS: 한 번에 하나의 작업만 가능한지, 동시에 여러 작업을 처리할 수 있는지에 따른 구분한다.
+데스크톱 OS VS 서버 OS: 개인용 환경에 최적화된지, 기업 서버나 데이터센터 환경에 최적화된지에 따른 구분한다.
+실시간 OS(RTOS): 주어진 시간 안에 특정 작업을 반드시 끝내야 하는 임베디드 환경에서 사용한다.
+
+## 4. 시스템 소프트웨어와 응용 소프트웨어
+운영체제 외에도 하드웨어를 효과적으로 다루기 위한 여러 시스템 소프트웨어가 있다.
+
+- 컴파일러(Compiler), 어셈블러(Assembler), 인터프리터(Interpreter)
+프로그래밍 언어로 작성된 코드를 기계어로 번역하거나(컴파일, 어셈블) 한 줄씩 실행(인터프리터)하도록 하는 프로그램들이다.
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+- 라이브러리 및 API
+자주 사용되는 기능을 모아둔 코드 집합 또는 인터페이스.
+개발자가 하드웨어/운영체제 레벨의 세부 사항을 몰라도 기능을 쉽게 이용할 수 있다.
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+- 응용 소프트웨어(Application Software)
+사용자가 목적에 맞게 사용하는 프로그램들(웹 브라우저, 오피스 제품군, 게임 등)이다.
+
+## 5. 1장의 핵심 정리
+
+1. 컴퓨터 시스템은 하드웨어와 소프트웨어로 구성되며, 하드웨어는 CPU·메모리·입출력장치로 나눌 수 있다.
+2. CPU는 메모리에 저장된 명령을 차례로 가져와 해석하고 실행하는 역할을 하며, 이 과정을 반복함으로써 프로그램이 동작한다.
+3. 운영체제는 자원을 관리하고, 사용자 및 응용 소프트웨어가 하드웨어를 편리하게 사용할 수 있도록 돕는 역할을 한다.
+4. 컴퓨터 구조와 운영체제는 서로 긴밀히 연결되어 있으므로, 두 영역을 함께 학습하면 전체적인 시스템 이해가 용이하다.

Computer architecture/(책) 2. 데이터.md

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+# 2. 디지털 기초와 컴퓨터가 데이터를 이해하는 방식
+
+## 1. 컴퓨터가 숫자를 이해하는 방법: 진법(進法)
+
+컴퓨터는 기본적으로 **2진법(Binary)**을 사용한다.
+인간이 일상적으로 사용하는 **10진법(Decimal)**과 달리, 
+컴퓨터 내부에서는 전기가 ‘켜짐(1)’과 ‘꺼짐(0)’으로 표현되므로 2진수 방식이 자연스럽기 때문이다.
+
+- 2진법(이진법)
+0과 1 두 가지 숫자로 모든 데이터를 표현
+예) 10진수 13 → 2진수 1101
+
+- 10진법(십진법)
+사람에게 익숙한 0~9까지의 숫자를 사용하는 체계
+컴퓨터 내부보다는 주로 사람이 이해하는 표현 방식
+8진법(Octal), 16진법(Hexadecimal)
+2진수를 편리하게 묶어서 표현하는 방법
+
+- 8진법: 2진수 3자리씩 묶음, 16진법: 2진수 4자리씩 묶음
+16진법 예) 10진수 255 = 16진수 FF = 2진수 1111 1111
+
+- 진법 간 변환
+10진수 → 2진수: 나누기 2를 통해 몫과 나머지를 반복해서 구한 뒤 역순으로 읽음
+2진수 → 10진수: 비트별 자릿수(2의 거듭제곱 값)를 합산
+
+## 2. 숫자(정수와 실수)의 표현 방식
+
+컴퓨터는 단순히 양의 정수(자연수)만 표현하는 것이 아니라, 음수나 실수까지도 표현해야 한다.
+이를 위해 정수의 부호 표현 방식, 실수의 부동소수점 표현 등의 규칙이 생겼다.
+
+### 정수 표현
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+- 부호와 크기(Sign-Magnitude) 방식
+최상위 비트를 부호로 사용(0=양수, 1=음수), 나머지 비트로 값(크기)을 표현
+예) 8비트 기준, +5는 00000101, -5는 10000101
+
+- 1의 보수(1’s Complement)
+양수는 그대로, 음수는 모든 비트를 반전시켜서 표현
+예) 8비트 기준, +5는 00000101, -5는 11111010
+사실 1의 보수는 많이 사용하는 방식은 아니라고 한다
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+- 2의 보수(2’s Complement)
+1의 보수에 1을 더해 음수를 표현하는 방식
+현재 가장 널리 사용되는 정수 표현 방법이다
+예) 8비트 기준, +5는 00000101, -5는 11111011
+
+- 오버플로(Overflow)
+표현할 수 있는 범위를 넘어서는 경우가 발생
+2의 보수 방식에서 양수 범위와 음수 범위를 어떻게 판정하는지 이해 필요
+실수(부동소수점) 표현
+
+- **고정소수점(Fixed Point)** 방식: 
+소수점 위치가 고정되어 있음
+고정소수점에 대한 이야기는 2. 컴퓨터 내부의 데이터 표현에서 자세히 다뤘다
+
+- **부동소수점(Floating Point)** 방식:
+소수점이 움직일 수 있도록 지수(exponent)와 가수(mantissa)로 나눠 표현한다
+부동소수점도 마찬가지로 2. 컴퓨터 내부의 데이터 표현에서 자세히 다뤘다
+
+- IEEE 754 표준
+단정도(32비트)와 배정도(64비트) 부동소수점 형식
+(부호 비트, 지수, 가수)로 구성하며 지수에는 바이어서(특정 기준값 추가) 사용
+부동소수점 연산 시 정밀도 손실(부동소수점 오차) 주의
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+## 3. 논리회로의 기초 개념
+컴퓨터 내부는 전자회로로 구성되어 있으며, 0과 1의 신호를 해석하는 논리회로(Logic Circuit)가 핵심이다.
+간단한 불(Boolean) 대수 원리에 따라 만들어진 논리 게이트를 이용해 다양한 연산을 처리한다.
+
+- 불 대수(Boolean Algebra)
+
+0과 1(참/거짓)에 대한 논리를 다룸
+대표적 연산: AND(논리곱), OR(논리합), NOT(부정)
+덧붙여 NAND, NOR, XOR, XNOR 같은 게이트도 존재
+
+- 논리 게이트(Logical Gate)
+
+AND 게이트: 입력이 모두 1이면 결과가 1, 아니면 0
+OR 게이트: 입력 중 하나라도 1이면 결과가 1, 모두 0일 때만 0
+NOT 게이트: 입력이 0이면 1, 1이면 0
+NAND, NOR, XOR, XNOR는 위의 연산자들을 조합하여 만들어지는 게이트
+
+## 4. 조합논리회로와 순차논리회로
+
+간단한 논리 게이트를 조합해서 더 복잡한 기능을 수행하는 회로를 만들 수 있다.
+컴퓨터의 연산 장치, 메모리, 제어 장치 등은 이러한 논리회로가 유기적으로 연결되어 구성된다.
+
+### 조합논리회로(Combinational Circuit)
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+현재 입력만을 기준으로 즉시 출력을 결정한다
+반가산기(Half Adder), 전가산기(Full Adder): 이진 덧셈 수행
+디코더(Decoder): n비트 입력을 2^n개의 출력을 활용해 특정 회선을 활성화
+멀티플렉서(Multiplexer): 여러 입력 중 선택 신호에 따라 하나만 출력으로 전달
+
+### 순차논리회로(Sequential Circuit)
+
+현재 입력뿐 아니라 **이전 상태(메모리)**도 함께 고려하여 출력을 결정한다
+플립플롭(Flip-Flop): 1비트 정보를 저장하는 기본 회로 소자
+레지스터(Register): 여러 개의 플립플롭을 묶어 여러 비트를 저장
+카운터(Counter): 입력 신호(클록)를 받아 숫자를 세어 나가는 회로
+
+## 5. 2장의 핵심 정리
+
+1. 진법: 2진수, 8진수, 16진수의 표기는 컴퓨터에서 데이터를 직관적으로 표현하기 위해 중요
+2. 정수 표현: 부호와 크기, 1의 보수, 2의 보수 중 실질적으로는 2의 보수가 가장 널리 쓰임
+3. 실수 표현: 부동소수점(IEEE 754)은 지수와 가수로 나누어 표현하는데, 연산 시 정밀도 손실 가능성 존재
+4. 논리회로 기초: 불 대수와 논리 게이트(AND, OR, NOT 등)의 조합으로 모든 디지털 연산을 처리
+5. 조합회로 vs. 순차회로: 조합회로는 입력만으로 즉시 결과 도출, 순차회로는 이전 상태(메모리)도 고려

Computer architecture/(책) 3. 명령어.md

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+# 명령어
+
+## 1. 소스 코드와 명령어
+
+고급 언어는 사람이 이해하고 작성하기 쉽게 만들어진 언어이다
+저급 언어는 컴퓨터가 직접 이해하고 실행할 수 있는 언어이다
+
+- 저급 언어
+
+    1. 기계어 → 0과 1로 이루어진 명령어
+    2. 어셈블리어 → 기계어를 사람이 읽기 편한 형태로 번역
+
+- 고급언어가 저급언어로 변환되는 방법
+
+    1. 컴파일 방식 → 통번역 → 오류 있으면 컴파일 불가
+    2. 인터프리터 방식 → 실시간 통역 → N번째 오류, N-1번째까지 코드 수행됨
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+(여러 개의)목적 코드 → 링킹 → 하나의 실행 파일
+모든 소스 코드는 컴퓨터 내부에서 명령어로 변환된다
+고급 언어로 작성된 소스 코드가 실행되려면 반드시 저급언어(명령어)로 변환 되어야함
+
+## 2. 명령어의 구조
+
+**명령어 = 연산코드 + 오퍼랜드**
+
+**연산코드와 오퍼랜드**
+
+- 연산 코드(operation code) -> 명령어가 수행할 연산
+    오퍼랜드 필드에는 대부분 메모리나 레지스터의 이름이 담긴다
+    -> 주소 필드라 부르기도 함
+
+연산 코드의 종류
+1. 데이터 전송
+    LOAD(FETCH): 메모리에서 CPU로 데이터를 가져와라
+    PUSH: 스택에 데티터를 저장하라
+    POP: 스택의 최상단 데이터를 가져와라
+2. 산술/논리 연산
+3. 제어 흐름 변경
+4. 입출력 제어
+
+- 오퍼랜드(operand) -> 연산에 사용할 데이터 or 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치를 명시
+    1. 오퍼랜드가 없는 경우 -> 0 주소 명령어
+    2. 오퍼랜드 1개 -> 1주소 명령어
+    3. 오퍼랜드 2개, 3개, 여러 개 -> 3주소 명령어
+
+**주소 지정 방식**
+
+왜 오퍼랜드 필드에 메모리나 레지스터의 주소를 담는 것일까?
+그냥 연산코드에 사용할 데이터를 넣어도 되는거 아닌가?
+-> 명령어의 길이 때문!!
+
+주소가 담긴다면 표현할 수 있는 데이터의 크기
+-> 하나의 메모리 주소에 저장할 수 있는 공간만큼 커진다
+
+- 유효 주소(effectice address) -> 연산의 대상이 되는 데이터가 저장된 위치
+- 주소 지정 방식(adressing mode)
+-> 오퍼랜드 필드에 데이터가 저장된 위치를 명시할 때 연산에 사용된 데이터 위치를 찾는 방법
+-> 유효 주소를 찾는 방법
+    1. 즉시 주소 지정 방식(immediate addressing mode)
+    오퍼랜드 필드에 명시 -> 연산에 사용할 데이터
+    2. 직접 주소 지정 방식(direct addressing mode)
+    유효 주소(메모리 주소)
+    -> 유효 주소 표현 가능 범위: 연산 코드의 비트 수만큼 줄어든다
+    3. 간접 주소 지정 방식(indirect addressing mode)
+    유효 주소의 주소
+    -> 유효 주소 표현 가능 범위: 메모리 전체 2의 16승 만큼 표현 가능하다
+    4. 레지스터 주소 지정 방식(register addressing mode)
+    유효 주소(레지스터 이름)
+    -> 직접 주소 지정 방식과 비슷한 문제를 공유
+    5. 레지스터 간접 주소 지정 방식(register indirect addressing mode)
+    유효 주소를 저장한 레지스터
+
+**스택과 큐**
+
+- 스택(stack)
+후입선출(LIFO) / PUSH, POP
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+- 큐(queue)
+선입선출(FIFO)