아이들이 컴퓨터와 코딩을 배울 때 간혹 어떻게 컴퓨터가 읽고, 쓰고, 저장하는거지.
이진법은 뭐지?라는 물음에 어른도 정확히 쉽게 설명해 주기가 쉽지많은 않은 것 같아서 정리해 보았습니다.
이 글이 아이들에게 컴퓨터의 원리와 이진법의 필요성에 대하여 설명해 주는데 많은 도움이 되었으면 좋겠습니다.
1. 컴퓨터의 뇌: CPU란?
컴퓨터는 우리가 내린 명령을 처리하고 실행하는 "뇌"와 같은 부분이 있어요. 이 뇌를 "CPU(중앙 처리 장치)"라고 해요. 우리가 키보드로 글을 입력하거나 마우스를 클릭할 때, CPU는 그 신호를 받아서 "무슨 일을 해야 할까?"라고 생각한 뒤, 결과를 만들어냅니다. CPU는 아주 똑똑하지만, 사실 아주 간단한 신호만 이해할 수 있어요. 그 신호는 바로 0과 1이에요!
2. 이진수? 이진법? 0과 1의 비밀: 왜 컴퓨터는 숫자만 알까?
컴퓨터는 우리가 말하는 글자나 소리, 그림을 직접 이해하지 못해요. 대신, 이 모든 것들을 숫자로 바꾸어서 이해해요. 특히, 2진수라는 특별한 숫자 체계를 사용해요. 2진수는 0과 1로만 이루어져 있죠. 그럼 왜 0과 1밖에 못 쓸까요?
컴퓨터 안에는 아주 많은 전자 회로가 있어요. 이 회로는 전기가 흐를 때 켜짐(1), 전기가 흐르지 않을 때 "꺼짐(0)"으로 상태를 나타낼 수 있어요. 그래서 컴퓨터는 "켜짐(1)"과 "꺼짐(0)"만을 이해할 수 있고, 모든 정보를 이렇게 표현하게 된 거예요.
3. 글자를 숫자로 바꾸는 법: ASCII 코드
우리가 키보드에서 글자를 입력할 때, 컴퓨터는 그 글자를 숫자로 바꾸어서 처리해요. 예를 들어, 'A'라는 글자는 컴퓨터에서 65라는 숫자로 저장돼요. 이걸 ASCII 코드라고 불러요. 'B'는 66, 'C'는 67로 변환되고, 이렇게 모든 글자는 숫자로 저장됩니다.
그럼 이 숫자 65를 다시 컴퓨터가 처리할 때는 어떻게 될까요? 이 숫자를 2진수, 즉 0과 1로 변환해요. 65는 2진수로 1000001이에요. 그래서 'A'는 컴퓨터 내부에서는 1000001로 표현되는 거죠.
4. 저장 장치: 컴퓨터의 기억 창고
아이들에게 설명할 때 문과 부모님의 경우 이 부분이 설명이 어려운 경우가 많아서 다른 소제보다 조금 상세히 작성해 보았어요.
컴퓨터는 기억 장치를 사용해 데이터를 저장해요. 우리가 글을 입력하거나 사진을 저장하면, 컴퓨터는 그 데이터를 어디에 기록하고 나중에 꺼내볼 수 있도록 저장합니다. 그런데 이 과정에서 컴퓨터는 어떻게 0과 1로만 데이터를 기억하고, 그걸 다시 읽어올 수 있을까요?
메모리의 두 가지 종류: RAM과 하드디스크(SSD)
먼저, 컴퓨터에 있는 저장 장치에는 여러 종류가 있어요. 크게 RAM(메모리)과 하드디스크 또는 SSD가 있어요. 이 두 가지는 데이터를 저장하는 방식이 조금 달라요.
- RAM: 컴퓨터가 일을 할 때 임시로 데이터를 저장하는 곳. 컴퓨터를 껐다 켜면 여기 저장된 데이터는 사라져요.
- 하드디스크/SSD: 컴퓨터를 꺼도 데이터를 영구적으로 저장해두는 장치예요. 우리가 저장한 문서나 사진, 프로그램들이 여기 보관돼요.
0과 1로 저장하는 원리
모든 데이터는 결국 0과 1로 저장된다고 했어요. 그럼 메모리는 어떻게 0과 1을 저장할까요? 이 과정은 컴퓨터 내부에서 일어나는 전기 신호와 관련이 있어요.
- 전기가 흐르는 상태(1): 이때는 메모리 셀이 켜짐 상태가 되면서 1이 저장됩니다.
- 전기가 흐르지 않는 상태(0): 이때는 메모리 셀이 꺼짐 상태가 되면서 0이 저장됩니다.
메모리 안에는 아주 많은 트랜지스터와 커패시터라는 작은 전자 소자가 있어요. 이 소자들이 컴퓨터가 기억하는 데이터를 구성하는 기본 단위입니다. 트랜지스터는 전류를 흐르게 하거나 차단하는 스위치 역할을 하고, 커패시터는 전기를 저장하는 작은 배터리처럼 동작해요.
RAM: 데이터를 기록하고 읽는 방법
RAM(랜덤 접근 메모리)은 전기 신호를 이용해 데이터를 저장해요. RAM의 작은 셀들 안에는 트랜지스터와 커패시터가 있어요. 컴퓨터가 메모리에 데이터를 저장할 때는, 전류를 흘려서 커패시터에 전기를 채워 1을 저장하거나, 전류를 차단해 커패시터의 전기를 없애 0을 저장합니다. 이렇게 0과 1로 데이터가 기록됩니다.
그런데 RAM은 휘발성 메모리라서, 컴퓨터가 꺼지면 커패시터 안에 있던 전기가 모두 사라지고, 데이터도 함께 사라져요. 그래서 RAM은 컴퓨터가 작동 중일 때만 데이터를 유지할 수 있고, 일시적으로 빠르게 데이터를 처리하는 용도로 사용됩니다.
하드디스크와 SSD: 데이터를 영구적으로 저장하는 법
하드디스크와 SSD는 컴퓨터가 꺼져도 데이터를 계속 저장할 수 있어요. 둘 다 0과 1로 데이터를 저장하지만, 저장하는 방식은 조금 달라요.
- 하드디스크는 자기장을 이용해 데이터를 기록해요. 하드디스크에는 아주 얇은 자성 물질로 된 원판(디스크)이 있어요. 컴퓨터는 이 디스크 위에 작은 자성 입자들을 배치해서 0과 1을 저장합니다. 자성 입자가 특정 방향으로 정렬되면 1, 반대 방향으로 정렬되면 0을 나타내요. 하드디스크는 디스크가 빠르게 회전하면서 읽고 쓰는 작업을 합니다.
- **SSD(솔리드 스테이트 드라이브)**는 플래시 메모리라는 기술을 사용해 데이터를 저장합니다. 여기서도 전기 신호를 이용해 데이터를 기록하는데, RAM과 달리 전기를 끊어도 데이터가 사라지지 않아요. SSD는 트랜지스터 안에 전자를 가두거나 풀어줌으로써 0과 1을 저장해요. 이 방식은 전자 회로의 상태를 바꿔서 데이터를 저장하는 것으로, 매우 빠르게 데이터를 기록하고 읽을 수 있어요.
데이터를 읽는 방법
데이터를 저장하는 것만큼 중요한 게 읽는 방법이에요. 컴퓨터가 데이터를 읽을 때는, 저장된 0과 1을 다시 전기 신호로 바꾸어서 CPU로 보내줘요.
- RAM: 컴퓨터가 특정 데이터를 필요로 하면, RAM에서 해당 위치에 저장된 전기 신호를 다시 읽어와서 CPU로 보냅니다. 그 데이터를 CPU가 처리해 화면에 보여주거나, 프로그램을 실행하죠.
- 하드디스크: 하드디스크는 자석을 이용해 데이터를 읽습니다. 디스크 위에 기록된 자성 입자들의 방향을 읽어서, 그걸 다시 0과 1로 변환한 뒤 CPU로 보냅니다.
- SSD: SSD는 전자 신호를 읽어서 0과 1을 해석해요. 이 데이터는 매우 빠르게 처리되며, 하드디스크보다 더 빠르게 읽고 쓸 수 있습니다.
컴퓨터 기억창고(저장 장치) 원리의 요약
컴퓨터 메모리와 저장 장치는 전기 신호를 이용해 데이터를 저장하고 읽습니다. RAM은 전류를 흐르게 해서 데이터를 빠르게 처리하고, 하드디스크와 SSD는 각각 자성 물질과 전자 소자를 사용해 데이터를 영구적으로 저장하죠. 이렇게 0과 1로 이루어진 데이터를 활용해 컴퓨터는 우리가 입력한 글자, 그림, 소리 등을 모두 기억하고, 다시 불러올 수 있는 거예요!
5. 컴퓨터와의 대화: 우리가 내리는 명령
CPU가 우리가 내리는 명령을 어떻게 처리하는지 알아볼까요? 아주 간단하게 말하자면, CPU는 우리가 내린 명령을 읽고, 해석한 후, 실행해요. 이 과정을 조금 더 쉽게 설명해볼게요!
CPU는 '명령어 리스트'를 갖고 있어요
CPU는 다양한 명령어를 처리하는 일을 해요. 마치 요리사가 요리법을 외워서 순서대로 요리를 만드는 것처럼, CPU는 컴퓨터가 해야 할 일을 미리 정해진 명령어 리스트에 따라 처리해요. 이 리스트는 프로그램이라고 불러요. 우리가 컴퓨터에서 실행하는 게임이나 워드 프로그램 같은 것들이 모두 이 명령어 리스트로 이루어져 있어요.
예를 들어, 우리가 컴퓨터에서 글자를 쓰면, CPU는 "글자 입력"이라는 명령어를 받고, 그 글자를 화면에 보여주는 일을 해요. CPU는 이미 이 명령어가 어떤 일을 해야 하는지 알고 있죠.
CPU가 명령을 처리하는 순서
CPU가 명령을 처리하는 과정은 몇 가지 단계로 이루어져 있어요:
- 명령어를 가져오기(읽기): CPU는 우리가 내린 명령어를 프로그램에서 가져와요. 예를 들어, 키보드에서 "A"라는 글자를 입력하면, CPU는 "A를 화면에 표시하라"는 명령어를 받아요.
- 명령어 해석하기: CPU는 받은 명령어를 해석해요. 이 명령어가 무엇을 의미하는지 확인하는 단계예요. "A라는 글자를 화면에 표시해라"라는 명령을 보고, CPU는 그 명령이 어떤 행동을 해야 하는지 정확히 이해해요.
- 명령어 실행하기: 마지막으로, CPU는 명령을 실제로 실행해요. 예를 들어, 화면에 "A"라는 글자를 띄우는 작업을 하게 되죠. 이렇게 CPU가 명령을 처리하면, 우리는 그 결과를 화면에서 볼 수 있어요.
CPU는 어떻게 행동할지 미리 알고 있을까?
그렇다면, CPU는 어떻게 모든 명령을 미리 알고 행동할 수 있을까요? 그 이유는 CPU 안에 명령어 세트가 있기 때문이에요. 마치 요리사가 많은 요리법을 외우고 있는 것처럼, CPU는 미리 정해진 명령어 세트를 갖고 있어요. 그 세트 안에는 컴퓨터가 할 수 있는 다양한 작업들이 모두 정리되어 있어요.
예를 들어, "더하기" 명령어, "빼기" 명령어, "화면에 글자 표시하기" 명령어 등이 있어요. 우리가 내린 명령어가 CPU에 전달되면, CPU는 그 명령어가 어떤 세트에 있는지 찾아서 실행하는 거예요.
결론: CPU는 똑똑한 요리사
CPU는 마치 요리사가 요리법을 보고 음식을 만드는 것처럼, 컴퓨터에 있는 명령어를 순서대로 처리해요. 우리가 내린 명령은 모두 0과 1로 변환되어 CPU로 전달되고, CPU는 그 명령을 읽고 해석한 후, 정해진 행동을 해요. 그래서 우리가 키보드를 누르거나 마우스를 클릭하면, 그 신호가 CPU에 전달되어 컴퓨터가 반응하게 되는 거예요.
이 과정을 통해 컴퓨터는 우리가 내린 명령을 빠르고 정확하게 처리할 수 있는 거랍니다!
6. 컴퓨터로 그림을 그리는 방법
그럼 그림은 어떻게 저장될까요? 컴퓨터는 그림도 숫자로 바꿔서 저장해요. 픽셀이라는 작은 점으로 그림을 구성하고, 각각의 점에 색깔을 지정해 줍니다. 색깔은 숫자로 변환되고, 그 숫자는 2진수로 변환돼서 컴퓨터에 저장됩니다. 우리가 보는 그림은 사실 수많은 작은 점들의 모임인 거죠!
7. 컴퓨터의 마법: 프로그램
본 글에서 "5. 컴퓨터와의 대화: 우리가 내리는 명령"에서 설명한 내용을 보시면 컴퓨터가 어떻게 명령을 받고, 저장하고, 수행하는지 이해하셨을거예요. 그런데 우리가 직접 0과 1로 컴퓨터에게 명령을 내리기엔 너무 어려워요. 그래서 우리는 프로그램을 사용해요. 프로그램은 우리가 컴퓨터에게 쉽게 명령을 내릴 수 있도록 도와주는 도구예요. 예를 들어, 게임 프로그램은 우리가 키보드를 누르면 캐릭터가 점프하게 하고, 그림 그리기 프로그램은 우리가 그린 선을 화면에 표시하게 해 줍니다.
결론
컴퓨터는 사실 0과 1밖에 모르는 단순한 기계예요. 하지만 이 단순한 원리를 활용해서 엄청나게 복잡한 일도 해낼 수 있죠. 우리가 입력하는 글자나 그림, 소리까지 모두 0과 1로 변환되어 컴퓨터 안에서 처리됩니다. 이렇게 컴퓨터가 데이터를 저장하고 명령을 처리하는 원리를 알면, 우리가 매일 사용하는 기기가 얼마나 놀라운 기술로 작동하는지 더 잘 이해할 수 있어요!
이 글을 통해 아이들과 부모님들이 컴퓨터의 기본 원리를 이해하고, 컴퓨터가 어떻게 데이터를 저장하고 명령을 처리하는지 쉽게 알 수 있는데 많은 도움이 되었으면 좋겠네요.
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