폰 노이만 구조
수학자이자 물리학자이자 컴퓨터 과학자이자 경제학자였던 존 폰 노이만이 1945년에 제시한 폰 노이만 구조는 오늘날 우리의 스마트폰부터 슈퍼컴퓨터까지 거의 모든 컴퓨터가 따르고 있는 기본 설계 원리입니다. 핵심은 프로그램을 배선이 아닌 데이터로 메모리에 담는다는 것입니다.
폰 노이만 구조
폰 노이만 구조 컴퓨터는 크게 메모리, CPU, 입출력 장치로 구성됩니다.
이 중 비교적 직관적인 메모리와 입출력 장치부터 살펴봅시다.
메모리
메모리는 프로그램과 데이터를 저장하는 장치입니다. 이 메모리를 RAM(Random Access Memory)이라 부르는데, 어떤 주소든 동일한 시간에 접근할 수 있기 때문입니다.
| 주소 | 데이터 |
|---|---|
| 0 | 01100011 |
| 1 | 00010001 |
| 2 | 10010101 |
| 3 | 00000000 |
예를 들어 ‘0번 주소에서 데이터를 가져와라’라고 하면 01100011이 나옵니다. ‘3번
주소에 50을 저장해라’라고 하면 해당 위치의 값이 바뀝니다.
여기서 핵심은 프로그램과 데이터가 같은 메모리에 저장된다는 점입니다. ENIAC은
프로그램이 물리적인 배선이었기 때문에 데이터와 완전히 별개였습니다. 폰 노이만
구조 에서는 기계어 명령어도 00110000 같은 숫자일 뿐이므로 데이터와 동일한
방식으로 메모리에 저장됩니다. 덕분에 프로그램을 바꾸고 싶으면 전선을 만질 필요
없이 메모리 내용만 바꾸면 됩니다.
입출력 장치
CPU가 외부 세계와 소통하는 창구입니다. 키보드, 마우스, 모니터 등이 여기에 해당합니다.
입출력 장치를 구현하는 한 가지 방법은 메모리를 활용하는 것입니다. 특정 메모리 주소 영역을 입출력 장치 전용으로 지정해두고, CPU는 해당 주소에 값을 읽거나 쓰는 방식으로 장치를 제어합니다.
예를 들어 모니터 화면의 각 픽셀을 메모리 주소에 일대일로 매칭해둘 수 있습니다. 이 메모리 영역을 비디오 메모리(VRAM)라고 합니다.
화면 (10×10)
VRAM
0: 흰색, 1: 검은색
VRAM 값 1은 검은색, 0은 흰색 픽셀에 대응합니다. 값을 바꿔 화면 변화를 확인해봅시다. 키보드도 비슷하게, 특정 주소에 마지막으로 눌린 키 코드가 기록되면 CPU는 해당 주소를 읽어 입력을 받아올 수 있습니다.
마무리
프로그램을 데이터로 메모리에 저장하는 폰 노이만 구조에서 메모리와 입출력 장치의 역할을 살펴보았습니다. 모니터든 키보드든 CPU 입장에서는 정해진 메모리 주소의 값을 읽고 쓰는 일일 뿐입니다.
그러면 명령어를 실행하는 건 누구일까요? 다음 글에서 CPU가 이해하는 명령어를 하나씩 알아봅시다.