2. 비트의 저장 기억장치

이 강의 자료는 컴퓨터의 자료 저장 방식에 대한 기본적인 이해를 돕습니다. Bit와 Boolean 연산, 다양한 Gate, 16진법과 같은 기본적인 개념부터 시작하여, 주 기억장치( Main Memory)와 대용량 기억장치의 구성 및 작동 원리를 설명합니다. 특히 RAM, ROM, Disk, CD, Tape, USB와 같은 저장 장치의 특징과 물리적/**논리적 레코드의 차이를 이해하는 데 초점을 맞추고 있습니다. 이 자료를 통해 컴퓨터 내부에서 데이터가 어떻게 표현되고 저장되는지에 대한 **전반적인 지식을 얻을 수 있습니다.

1. 💡 비트와 부울 연산의 기본 개념

• 비트(Bit)란 이진수(Binary Digit)를 의미하며, 1 또는 0으로 표현되는 정보의 최소 단위이다.
• 한 비트는 숫자(1 또는 0), 불리안 값(true 또는 false), 전압(높음 또는 낮음) 등 다양한 의미를 가진다.
• 비트 패턴(Bit Pattern)은 숫자, 문자, 영상, 소리 등 다양한 정보를 표현하는 데 사용된다.
• 부울 연산은 한 개 이상의 true(1)/false(0)를 다루며, 주요 연산자로 AND, OR, XOR(exclusive or), NOT이 있다.
• 부울 연산자들 사이의 관계를 이해하면, 기초적인 컴퓨터 자료 처리에 대한 이해를 깊게 할 수 있다.

2. ⚙️ Gates와 저장 장치 이해

• Gate**s는 주어진 입력에 대해 **부울 연산을 통해 출력을 내주는 전자 회로의 기본 단위이며, 컴퓨터 구성의 핵심 요소이다.
• AND 게이트는 두 입력 x와 y가 모두 1일 때만 출력 F가 1이 되는 구조로, 예를 들어 "수강생이 아주대 학생이고 강사가 아주대 교수일 경우"를 설명하는 데 사용된다.
• OR 게이트는 입력 x 또는 y 중 하나 이상이 1일 때 출력 F가 1이 되며, 이는 논리 합(OR) 연산을 표현한다.
• NAND와 NOR** 게이트**는 각각 AND와 OR의 부정(negative) 형태로, NAND는 A와 B의 AND 결과를 부정하고, NOR는 A와 B의 OR 결과를 부정한다.
• Flip-flop은 gate로 구성된 1비트 저장 장치로, 입력에 따라 값을 저장하거나 초기화하며 최근의 값을 유지하는 기능을 갖는다.

3. 🖥️ 주 기억장치와 16진법 표현 이해

• 16진법은 긴 2진법 숫자를 4비트씩 그룹으로 나누어 간략하게 표현하는 방식이다. 예를 들어, 2진법 10100011은 16진법A3로, 00100111은 27로 표현된다.
• 주 기억장치**(Main Memory)는 통상 8비트 단위의 **cells로 구성되며, 8비트의 묶음을 Byte라고 한다.
• 기억장치는 RAM( Random Access Memory)이라고도 하며, 컴퓨터 내부의 비트 저장소로 Byte** 단위**로 분할된다.
• 주 기억 장치의 주소는 각 cell에 부여되는 고유 번호로, 0부터 시작하여 연속적으로 할당된다. 따라서 "먼저 cell", "다음 cell"의 순서가 의미를 갖는다.
• 랜덤 접근 메모리는 주소를 통해 어떤 cell에도 독립적으로 접근할 수 있는 저장장치이다.

4. 📏 기억장치 용량과 성능

• 1 byte는 0부터 255까지 총 256개 표현이 가능하며, 이는 1 byte가 8 bits로 구성되기 때문이며, 7 bit는 영문 표현의 최소 개수로 사용된다.
• 저장 용량의 단위로는 1 KB가 1,024 bytes, 1 MB는 1,024 KB, 1 GB는 1,024 MB로 정의되며, 각각은 2의 거듭제곱으로 나타내어진다.
• 주기억장치의 각 byte는 0번째 byte부터 시작하는 고유한 주소를 가지고 있으며, CPU가 주소를 통해 해당 byte에 접근할 수 있다.
• RAM은 주기억장치의 한 형태로, 어떠한 주소도 일정 시간 내에 읽기/ 쓰기가 가능하므로 '랜덤 접근 메모리'라고 불리며, ROM은 정보를 절대 수정할 필요 없는 읽기 전용 메모리이다.
• 대용량 저장 장치는 휘발성이 없고, 일반적으로 주 기억장치보다 크며, 하드 디스크, 플로피 디스크, CD- ROM등이 이에 속하고 접근 속도는 상대적으로 느리다.

5. 💾 대용량 기억장치의 종류와 특징

• 주기억장치(**Main Memory**)는 빠른 속도(nano 초 수준)를 자랑하지만 비용이 비싸고 휘발성으로 전원이 꺼지면 데이터가 사라진다.
• 보조 기억장치(Secondary Memory)는 비휘발성으로 상대적으로 저렴하지만 속도가 느리다(milli 초 수준).
• 디스크 저장 장치의 성능은 탐색 시간(seek time), 회전 지연(rotation delay), 그리고 전송 속도(transfer rate)로 측정할 수 있다.
• Compact **Disk(CD**)는 760MB 용량, 트랙이 나선형으로 형성되며, 가변적인 회전 속도(200~530 rpm)를 가진다.
• USB** 플래시 드라이브는 **비휘발성 기억장치로서 빠른 읽기 속도를 가지지만, NAND** 플래시 메모리**의 제한으로 인해 블록 단위로 데이터를 지워야 한다.

5.1. 대용량 기억장치의 특징

• 주기억장치는 연산 속도가 빠르지만, 비싸고 전원을 끄면 기억된 자료가 사라지는 휘발성이 있다.
• 보조 기억장치는 비휘발성이며 가격이 저렴하지만, 속도가 느린 것이 단점으로 작용한다.
• 기억장치는 온-라인과 오프-라인으로 분류되며, 이는 사람이 개입하는 여부에 따라 다르다.

5.2. 디스크 저장장치의 구조와 성능

• 디스크 저장장치는 대용량 기억장치로, Compact **Disk** (**CD**)와 tape 등의 형태로 제공된다.
• 굵은 표면을 이루는 track은 동심원 모양으로 되어 있으며, cylinder는 여러 개의 track로 구성된다.
• sector는 512 ~ 1024 byte 단위로 분할된 부분으로, access time은 seek time과 rotation delay를 합한 시간으로 측정된다.
• Formatting 과정은 디스크의 물리적 성질과 관계없으며, track과 sector를 표시하기 위해 head로 marking하는 과정을 포함한다.
• Disk**ette는 휴대성을 강조한 1장짜리 **floppy disk로, 300 rpm의 속도로 회전한다.

5.3. ️ 저장 매체의 종류와 특징

• Compact **Disk**는 반사체 위에 laser로 정보를 새겨 12cm 지름의 디스크이며, 고유한 특징으로는 나선형으로 구성된 하나의 track과 2KB sector가 있다.
• Compact Disk의 회전 속도는 가변적으로 200에서 530 rpm 사이이며, 일반적인 용량은 650MB에서 700MB이다.
• CD**-DA와 CD-RO**는 같은 저장 방식이지만, 저장하는 자료의 차이가 있다.
• Magnetic tape 저장장치는 여러 종류가 있으며, 주로 대용량 저장이 가능하지만, 특정 위치를 찾으려면 시간이 걸리는 sequential access 방식이다.
• Tape저장장치는 주로 백업 용도와 보관 목적으로 사용된다.

5.4. 물리적 레코드와 논리적 레코드

• 파일 저장장치(File Storage)는 밀접하게 관련된 데이터들의 묶음인 레코드로 구성되어 있으며, 프로그램은 레코드 단위로 읽어서 처리한다.
• 물리적 레코드**(physical record)는 디스크, CD, 테이프 등에서 **sector당 512 또는 1024 바이트로 구성되어 있으며, sector 단위로 읽기/쓰기가 이루어진다.
• 논리적 레코드**(logical record)**는 프로그램에서 임의의 크기로 설정할 수 있으며, 읽기/쓰기 시에 두 개 이상의 물리적 레코드를 읽어야 할 수도 있다.
• 대형 프로그램은 물리적 및 논리적 레코드의 크기를 정수배로 설계하여 효율성을 높인다.
• 완충장치(Buffer)는 메인 메모리에서 사용되며, 이를 통해 데이터 처리 속도를 향상시키는 데 기여한다.

5.5. ️ USB 플래시 드라이브 및 기억장치 개요

• USB**(Universal Serial Bus)**는 컴퓨터와 주변 기기를 연결하는 입출력 표준이며, 버전이 올라갈수록 속도가 증가하고 있다. 예를 들어, USB1은 1.5Mbps, USB2는 480Mbps, USB3는 10Gbps, USB4는 20~40Gbps 속도를 제공한다.
• 플래시 메모리는 비 휘발성 기억장치로, 읽기 속도가 빠르고 하드 디스크보다 충격에 강한 장점이 있다.
• 하지만 NAND** 플래시 메모리**는 블록 단위로만 쓰기와 읽기가 가능하여, 덮어쓰거나 지우기 위해서는 모든 블록을 삭제해야 하며, 이는 쓰기 횟수에 제한이 있는 단점이다.
• 학습 정리는 주 기억장치인 RAM과 ROM, 대용량 기억장치의 필요성, 및 다양한 저장장치( Disk, CD, Tape)의 내용을 포함하고 있다.