20210510 CS50: 컴퓨팅 사고 - 정보를 표현하는 방법(2진법, 비트, 바이트, 트랜지스터, ASCII, UNICODE, RGB ), 알고리즘

네이버 커넥트재단에서 운영하는 부스트 코스라는 사이트의 모두를 위한 컴퓨터 과학 (CS50) By David J. Malan이라는 하버드대에서 강의한 CS 강의이다. 해당 글은 강의를 듣고서 정리한 내용 및 img 자료 입니다. (무료 강의)

 

CS50 : 컴퓨팅 사고 (Computational Thinking, Scratch)

• 컴퓨터 과학 : 단지 문제를 해결하는 것 (어떠한 입력이 있을 때 그로부터 어떠한 출력을, 그 문제에 대한 답을 찾는 과정)
• 기계는 입출력에 대한 동의가 필요함 (약속) -> 정보 자체의 표현 방법

2진법

• 우리는 10진법으로 0 ~ 9 까지의 숫자를 가졌지만 , 기계는 0, 1 단 두개의 숫자 뿐이 없다.
• 그럼에도 컴퓨터는 글, 이미지, 소리, 영상 등 많은 것을 저장하고 있다.
• 인간이 수를 자연스럽게 인식하는 체계는 10진법이며, 이는 사전에 약속이 있기 때문이다. 10진법은 10의 거듭제곱으로서 이러한 연산 과정을 자연습럽게 체득하고 있다.
• 컴퓨터는 각자리에 1, 0 을 사용한 2의 거듭제곱을 사용 즉, 2진법 (binary)를 사용
  • 예) 100 -> 4 (자리수를 증가시켜서 더 큰 숫자를 표현함 -> 숫자가 커질수록 0 과 1이 더 많이 필요함)
  • 0 또는 1을 가진 2진수를 비트라고 함
  • 물리적 행위를 통한 연결을 하는 경우 해당 행위를 간단하게는 0 또는 1 (켜짐, 꺼짐 / 진실 또는 거짓)로서 이진법으로 표현하는데 이는 표현하기에 적절하다.

비트& 바이트

• 비트(binary digit) : 정보 저장과 연산을 위해서 비트라는 측정단위 사용
• 하지만 더 많은 정보를 표현하기 위해서 컴퓨터는 많은 수의 비트를 활용하여 정보를 표현함 -> 물리적으로 수행
• 바이트 : 8비트 (8개의 1과 0을 의미 -> 2^8 = 256개의 다른 바이트가 존재)
• 킬로바이트 : 1000 바이트
• 메가바이트 : 1000 킬로바이트 (100만 바이트)
• 기가바이트 : 1000 메가바이트 (10억 바이트)
• 테라바이트 : 1000 기가바이트 (1조 바이트)

트랜지스터

• 컴퓨터는 수백만, 수십억개의 스위치들을 가지고 있고 물리적으로 이용해서 정보를 표현하고 값을 저장 한다. 그 스위치를 트랜지스터 라고 함
  • 트랜지스터 : 컴퓨터 속에 있는 아주 작은 스위치 이다. (즉, 비트를 나타냄)

다양한 데이터 표현

정보의 표현

• 숫자로 다양한 정보(이미지, 알파벳, 이모티콘, 영상 등..)를 표현하기 위해서는 모두의 사전 동의가 필요함
• 예) 대문자 A -> 64를 표현하는 자리 + 1을 표현하는 자리 => 0100001

ASCII code

• ASCII 코드는 알파벳과 문장 부호를 정보 교환을 위한 숫자로 표현하기 위한 미국 표준 코드로서 약속 체계를 갖추었다. (8개의 비트만 사용)

UNICODE

• 미국 중심의 ASCII 코드에서 벗어나 더 많고 다양한 정보(이모티콘)를 표현하기 위해서 8 ~ 32 비트 까지 사용해서 표현
• 이모티콘의 경우 이미지로서 작은 점들로 이루어 져있음

RGB

• 사진에서의 점들은 RGB라는 체계를 통해 표현 됨 (색깔)
• RED, GREEN, BLUE 이 3개의 색을 조합하여 무지개의 어느 색이든 만들어 낼수 있음
• 결국에는 하나의 점, 하나의 픽셀에 1가지의 색을 표하기 위해서는 3개의 값을 저장해야 함
• 예) 72 73 33 -> 빨강, 초록, 파랑의 양으로 받아 들임

GIF(짤) & 비디오

• GIF 및 비디오는 사실 같은 파일에 저장되어 있는 여러장의 사진들임
• 단지 이러한 여러개의 사진들이 매우 빠르게 지나치는 것일 뿐임

음악

• 우리가 연주하는 음들 역시 숫자로 양자화 가능
• 음과 길이 음량 3가지 값 사용

결국, 어떠한 방법으로든지 0 과 1로 표현한다는 것

 

알고리즘

• 알고리즘 : 문제를 해결하는 단계적인 방법으로 input에서 받은 자료를 output 형태로 만드는 처리 과정을 뜻함
  • 즉, 규칙들의 순서적 나열
  • 일렬의 순서를 어떻게 나열하느냐, 즉, 알고리즘을 어떻게 짜느냐에 따라서 출력을 하기까지의 시간이 달라진다.
• 알고리즘은 정확성과 효율성이 중요하다.
• 예시) Q. 전화번호 부에서 특정 사람 번호 찾기
  • 방법01. 한장한장 넘겨서 찾는다.
  • 방법02. 두장씩 넘겨서 찾다가 넘어가면 한장 뒤로 가서 찾는다.
  • 방법03. 절반씩 펼쳐 확인해서 찾아간다.
• 모두 알고리즘이지만 평가를 할때는 방법3이 가장 효율적이다.
• 1024 페이지의 전화번호부에서 이름 찾기 -> 계속 반씩 나누어 줄여 간다. -> 10단계 만에 찾을 수 있음
• 각 방법에 대한 효율

의사코드 (Pseudocode)

• 생각을 간결하게 정리한 코드와 비슷한 구문을 말함
• 이미 가지고 있는 직관이나 생각들을 기계나 다른 사람들이 이해할 수 있는 방식으로 번역하는 것에 불과함

• 위와 같이 절자 지향적으로 알고리즘을 코드로 표현 할 수 있음
• 다른 프로그래밍 언어에서도 마찬가지이지만 의사 코드에서의 특징을 묶으면 함수, 조건, 불리언, 루프로 구성되고 그 외에 많이 있다.

생각해 보기

• 친구와 1부터 100까지 숫자 중 1가지 숫자를 맞추는 스무고개 게임을 하려고 합니다. 이 때 사용할 알고리즘을 의사코드로 표현하면 어떻게 될까요?

1 A가 1 ~ 100 까지 숫자 중 하나 X를 고른다
2 B는 "s는 1, f는 100임"을 기억한다.
3 B가 A에게 s에서 f의 중간 숫자 Y 부른다.
4 만약 Y와 X가 같으면
5 게임 종료
6 만약 X가 Y보다 크다면
7 A는 'Y보다 크다'라고 말한다.
8 B는 Y를 s로 기억하고 line 3번으로 간다.
9 그 외의 상황이면 (만약 X가 Y보다 작으면)
10 A는 'Y보다 작다'라고 말한다.
11 B는 Y를 f로 기억하고 line 3번으로 간다.