CPU와 메모리 기본 개념

CPU와 메모리는 컴퓨터 시스템에서 매우 밀접하게 연결되어 있지만, 각각의 역할은 다릅니다. 프로그램이 실행되는 동안 CPU와 메모리는 서로 협력하여 작업을 처리합니다. CPU는 연산을 담당하는 장치이며, 메모리는 데이터와 명령어를 저장하고 관리하는 장치입니다. 각 상황에서 언제 CPU를 사용하고 언제 메모리를 사용하는지 명확히 설명해드리겠습니다.

---

1. CPU는 언제 사용되는가?

CPU는 프로그램이 실행될 때 연산과 명령어 처리를 담당합니다. 즉, 프로세서가 실제로 일을 하는 순간에는 CPU가 사용됩니다. CPU는 프로그램의 논리적 흐름을 처리하고, 다양한 명령을 빠르게 수행합니다.

CPU 사용 시점:

• 연산을 수행할 때: 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 같은 산술 연산과 비교, 조건문 처리 등의 논리 연산을 처리할 때 CPU가 사용됩니다.
• 프로그램 명령어 실행: CPU는 프로그램에서 제공하는 명령어(명령어 집합)를 순차적으로 실행합니다. 예를 들어, 함수 호출, 조건문 처리, 루프 실행 등의 명령어들이 CPU에서 처리됩니다.
• 제어 흐름 관리: 분기(조건문, if-else), 함수 호출, 루프 같은 프로그램의 흐름 제어를 처리할 때 CPU가 필요합니다.
• 데이터 이동: CPU는 메모리와 데이터를 주고받으며, 레지스터와 같은 고속 메모리에서 처리할 데이터를 가져와 계산을 수행하고 다시 메모리로 보냅니다.
• 인터럽트 처리: I/O 장치에서 발생하는 인터럽트(하드웨어 신호)를 처리할 때 CPU는 해당 요청에 대응하여 작업을 처리합니다.

예시:

• 프로그램이 변수에 값을 더하거나 곱할 때, CPU는 그 계산을 수행합니다.
• 루프가 실행될 때, CPU는 반복적으로 명령어를 실행하며 그 흐름을 제어합니다.

---

2. 메모리는 언제 사용되는가?

메모리는 프로그램이 실행될 때 데이터와 명령어를 저장하고, CPU가 해당 데이터에 접근할 수 있도록 하는 역할을 합니다. CPU가 필요한 데이터를 처리하려면, 그 데이터가 메모리에 있어야 합니다.

메모리 사용 시점:

• 프로그램 데이터 저장: 모든 변수, 객체, 함수 등의 데이터는 메모리에 저장됩니다. CPU가 작업을 수행하기 위해 필요한 값과 데이터는 먼저 메모리에 로드됩니다.
• 프로그램 명령어 저장: 프로그램이 실행되면, 명령어(코드)가 메모리에 저장됩니다. CPU는 이 명령어를 메모리에서 읽어와 처리합니다.
• 데이터 읽기/쓰기: 프로그램은 메모리에서 데이터를 읽거나 저장할 때 메모리를 사용합니다. 예를 들어, 변수에 값을 저장하거나, 배열을 업데이트하는 작업은 메모리에서 이루어집니다.
• 함수 호출 및 반환: 함수가 호출되면 함수의 매개변수와 지역 변수가 메모리(주로 스택)에 저장되고, 함수가 종료되면 메모리에서 제거됩니다.
• I/O 작업 처리: 파일 읽기, 네트워크 통신, 사용자 입력 등과 같은 I/O 작업은 데이터가 메모리로 들어오고, 다시 나가는 과정에서 메모리를 사용합니다.

예시:

• 프로그램에서 어떤 값을 변수에 저장하거나 읽을 때, 그 데이터는 메모리에서 관리됩니다.
• 배열, 리스트, 객체와 같은 데이터 구조는 메모리에 저장되고, CPU가 이를 처리할 때 해당 데이터를 메모리에서 가져옵니다.

---

3. CPU와 메모리의 협업

CPU와 메모리는 항상 함께 작동합니다. 즉, CPU는 연산과 명령어 처리를 담당하고, 메모리는 그 연산에 필요한 데이터와 명령어를 저장하는 역할을 합니다.

CPU와 메모리 간 상호작용 과정:

1. 명령어를 읽어옴: CPU는 메모리에서 프로그램의 명령어를 읽어와 실행합니다. 명령어는 메모리에 저장되어 있으며, CPU는 이를 하나씩 가져와 처리합니다.
2. 데이터 읽기: 연산을 수행하기 위해 CPU는 필요한 데이터를 메모리에서 읽어와 레지스터에 로드한 후, 연산을 수행합니다.
3. 연산 수행: CPU는 데이터를 이용해 연산을 수행합니다. 예를 들어, 두 수를 더하거나 비교하는 연산을 처리합니다.
4. 결과 저장: 연산 결과는 다시 메모리로 저장됩니다. 계산된 값을 메모리에 다시 쓰거나, 다른 작업을 위해 보관할 수 있습니다.
5. 메모리로부터 데이터 교환: 이 과정에서 메모리의 데이터가 변경될 수 있으며, CPU는 프로그램 흐름을 계속해서 진행합니다.

예시: 덧셈 연산의 경우

• 1단계: CPU는 메모리에서 덧셈 연산에 대한 명령어를 읽어옵니다.
• 2단계: 두 숫자는 메모리에 저장되어 있으며, 메모리에서 이 숫자를 읽어와 CPU의 레지스터에 로드합니다.
• 3단계: CPU는 레지스터에서 가져온 두 숫자를 더합니다.
• 4단계: 계산된 결과는 메모리에 저장됩니다.

---

4. CPU와 메모리 사용의 구체적 예시

1) 변수 선언과 사용

int a = 10;
int b = 20;
int c = a + b;

• 메모리 사용: a와 b라는 변수는 메모리에 저장됩니다. a = 10, b = 20은 메모리에 각각 저장된 값을 의미합니다.
• CPU 사용: c = a + b 명령어가 실행되면 CPU는 메모리에서 a와 b의 값을 읽어와 연산(덧셈)을 수행하고, 그 결과를 다시 메모리에 저장합니다.

2) 함수 호출

int multiply(int x, int y) {
    return x * y;
}

• 메모리 사용: 함수가 호출되면 매개변수 x와 y는 메모리에 저장됩니다. 함수 실행이 끝나면, 그 메모리 영역은 해제됩니다.
• CPU 사용: x * y 연산은 CPU에서 처리됩니다. CPU는 메모리에서 x와 y 값을 읽어와 곱셈을 수행한 후, 그 결과를 반환합니다.

3) 파일 읽기

BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader("data.txt"));
String line = reader.readLine();

• 메모리 사용: 파일의 데이터를 메모리에 로드합니다. 이 경우 line 변수는 메모리에 저장되고, 파일의 내용이 해당 변수로 로드됩니다.
• CPU 사용: 파일 데이터를 읽고, 그 데이터를 처리하는 작업은 CPU가 처리합니다.

---

5. CPU와 메모리의 차이와 협력 관계

• CPU는 실제 연산을 수행하고, 프로그램의 흐름을 제어하며, 명령어를 실행하는 역할을 합니다.
• 메모리는 데이터와 명령어를 저장하며, CPU가 이 데이터를 이용해 작업을 처리할 수 있도록 제공합니다.

CPU와 메모리는 서로 협력하여 프로그램이 원활하게 실행될 수 있도록 하며, 프로그램이 처리해야 할 데이터는 메모리에 저장되고, CPU는 이를 처리하는 역할을 맡습니다.