컴퓨터의 구조 Company Logo 2006년 2학기 컴퓨터의

컴퓨터의 구조 Company Logo @ 2006년 2학기 컴퓨터의 개념 및 실습

컴퓨터 = 하드웨어 + 소프트웨어 n 하드웨어 n 전자 회로 및 기계 장치 n 입출력 장치, 중앙처리장치, 주/보조 기억 장치 n 버스(Bus): 각 구성 요소들을 연결하는 데이터의 통로 n 소프트웨어 n 하드웨어를 제어하여 작업을 수행하는 프로그램 n 명령문과 데이터로 구성 n 사람이 이해하기 쉬운 고급 언어로 작성 n C, Java, … n 고급언어 기계어로 번역 (by 컴파일러)

컴퓨터의 기본 구성 요소 (1) n 입력장치(input device) 컴퓨터가 처리할 수 있는 형태로 데이터나 명령을 받아 들이는 역할을 수행 프로세서(processor) n 중앙 처리 장치(CPU: Central Processing Unit) n n 실제적으로 컴퓨터 명령어들을 수행 출력장치(output device) n n n 처리된 데이터를 사람이 이해할 수 있는 형태로 출 력

컴퓨터의 기본 구성 요소 (2) n 저장장치(storage, secondary storage) n n 데이터나 프로그램을 보관하기 위한 테이프나 디 스크 등 주 기억장치를 보조 메모리 일차 기억장치 입출력 장치, 보조 기억 장치, 멀티미디어 장치 주변 장치 (Peripheral equipment)

PC Hardware: 기본 구성도

기본 구성 요소 설명 n n n 입력 장치 (Input) 중앙 처리 장치 (CPU) 주 기억 장치 (Memory, Primary Storage) 출력 장치 (Output) 보조 기억 장치 (Secondary Storage)

입력 장치 n n n 타이핑(typing): 키보드 포인팅(pointing): 마우스 스캐닝(scanning) n n n 레이저 광선을 이용하여 문서, 기호, 사진 등의 인쇄 물을 직접 읽어 들임 Barcode reader, handheld scanner, flatbed scanner 단말기(terminal) n 입력 장치 + 화면 + 대형 컴퓨터와의 연결 장치

마더보드(Motherboard or Mainboard) n 칩들이 부착되어 있는 보드

프로세서 n 프로세서 (processor) n 프로그램을 실행 n 입력, 출력, 저장 장치 제어 중앙 처리 장치 (Central Processing Unit, CPU) n

중앙 처리 장치 n CPU의 구성 n ALU + CU + Register n 산술, 논리 연산 장치 (Arithmetic/Logic Unit, ALU) n 제어 장치 (Control Unit, CU) 프로그램에 따라 명령과 제어 신호를 생성 n 정보와 데이터의 흐름을 결정하고, 각종 장치의 동작을 제어 임시 기억 장소 (Register) n CPU에서 사용하는 데이터를 일시적으로 저장 n 보통 30개 정도를 번호를 붙여 사용 n n

프로그램에 의한 중앙 처리 장치 동작 과정 주기억장치의 기계어 코드 주변장치 중앙처리장치 레지스터 ADD R 2, R 3, R 5 제어장치(CU) 제어신호 R 1 R 2 R 3 ADD 산술논리연산장치(ALU) 데이터값 R 4 R 5 R 6 R 7

클럭 (Clock) n n 컴퓨터가 벽시계라면 시계추의 진동에 해당 중앙 처리 장치가 작업을 수행하는 단위 같은 종류의 CPU라면 초당 클럭 수가 많을 수록 속도 가 빨라짐 예) 명령 읽기 명령 해독 데이터 읽기 계산 수행 결과 저장

PC의 성능 및 용량 n n 정보처리 성능 n 8 -비트 Machine: 동시에 1바이트(8비트) 처리 n 64 -비트 Machine: 동시에 8바이트(64비트) 처리 컴퓨터 처리 속도의 표현 n MHz / GHz n 초당 처리되는 machine cycle의 수 n MIPS n Million Instruction Per Second n 초당 처리되는 명령어의 수 n MFLOPS n Million Floating-point Operation Per Second n 초당 처리 가능한 실수 연산의 수

PC의 성능 및 용량 n 기억용량의 표현 10 bytes = 1024 bytes n KB: 1 kilobytes = 2 n 640 KB = 640 x 1024 = 655360 bytes. n MB: 1 megabytes = 1024 x 1024 bytes n GB: 1 gigabytes = 1024 MB

메모리 n n 주 기억 장치, 1차 기억 장치 프로그램과 데이터는 메모리에 저장이 되어 있어야 프 로세서에 의해 처리될 수 있음. RAM : 전원이 공급되어 정상적으로 동작 중일 때만 기 억 기능 수행 기억용량 n 주기억장치가 기억할 수 있는 자료의 양 n 최소 32 MB – 64 MB n 보통 128 MB – 512 MB

주 기억 장치 n n 프로그램 수행을 위해 필요한 정보에 비해 레지스터의 용량은 너무 작음 정보를 저장해 두었다가 필요할 때 읽어 들이는 저장소 로 이용됨 명령어(프로그램)와 데이터를 저장 주소(address)를 통해 자료의 위치를 지정 n 8 / 16 / 32 / 64 비트 단위로 읽고 씀 워드(word) n 읽기/쓰기/연산 단위인 워드의 길이에 따라 성능이 달라짐 n 접근 시간(Access time) : 읽고 쓰는데 걸리는 시간 주 기억 장치의 종류 RAM + ROM

주 기억 장치의 종류 n RAM (Random Access Memory) n n n 전원이 끊어지면 내용이 지워진다 n 보조 저장 장치가 반드시 필요함 RAM의 크기는 프로그램의 수행 속도에 영향을 줌 CPU에서 직접 접근이 가능한 유일한 저장 장치 (cf. 하드 디스크)

주 기억 장치의 종류 n SRAM (Static RAM) n 리프레쉬(refresh)가 필요 없음 충전된 전하를 정기적으로 재충전 n 전력 소모가 적다 n 비싸다, Cache 메모리에 사용 DRAM (Dynamic RAM) n 리프레쉬(refresh)가 필요 n SRAM 보다 저가, 많이 사용됨 n SDRAM (Synchronous DRAM), DDR (Double Data Rate) SDRAM, RDRAM (Rambus DRAM) n n

주 기억 장치의 종류 n ROM (Read Only Memory) n 대부분 읽을 수만 있는 장치 n 전원이 끊겨도 내용이 보존됨 n 예) 컴퓨터가 처음 켜질 때 (부팅) 자동으로 수행 되는 명령어들을 저장 PROM(Programmable ROM) n 한번 프로그램 가능 EPROM(Erasable PROM) n 내용 변경 가능 (정기적으로 변경할 필요가 있는 프 로그램 저장 위해 사용) n n

캐시 메모리 (Cache Memory) n 레지스터 Cache memory 속도가 빠르고 용량이 작다 가격 저렴 주기억장치 보조 기억 장치 자주 사용되는 내용을 일시적으로 저장하여 프 로그램 실행 속도를 빠 르게 하는 용도 주 기억장치를 읽지 않고, Cache를 이용

출력 장치 n 화면(screen) n n n 문자 그래픽 프린터(printer) n n 레이저 프린터 잉크 젯 프린터

출력장치: 모니터 n n n 컴퓨터에서 나오는 글자, 그림 등의 결과를 화면에 보여주는 장치 크기 n 화면의 크기를 대각선 방향으로 잰 길이를 ‘인치’로 나타냄 해상도(resolution) n 화면에 나타나는 그림이나 글자의 선명도를 결정하는 요소 n 화면에서 가로와 세로로 각각 몇 개의 점(pixel)을 나타낼 수 있는 가를 의미 n 예) 800 × 600 : 800개의 점으로 구성된 가로줄이 600개 n 실제 화면의 해상도: 모니터 + 비디오 카드에 의해서 결정됨

출력장치: 모니터 n 비디오 카드 n n n 주기억장치에서 만들어진 글자나 그림을 모니터에 나타내기 위한 전자신호로 변환하는 카드 사용하는 카드의 종류에 따라 최대 해상도, 재생주 기, 표현할 수 있는 색상의 수가 결정됨 비디오 메모리 n n n 비디오 카드가 가지고 있는 자체 기억장치 모니터에 나타낼 자료를 미리 만드는데 사용됨 최소한 4 MB가 있어야 166만 색상(24비트)을 1280 × 1024 의 해상도로 표현 가능

출력장치: 프린터 n n n 컴퓨터에서 나오는 결과를 종이 위 에 인쇄하는 장치 종류 n 해상도: 1200 DPI, 600 DPI n 내용물의 색상: 흑백, 컬러 n 인쇄방식: 레이저, 잉크젯, 도트 매트릭스 DPI (dots per inch)가 클수록 더 정 교한 글자나 그림 인쇄가 가능

보조 기억 장치 n 프로그램이나 자료를 영구적으로 기억할 수 있는 기억 장치 n 주기억장치에 비해 기억된 내용을 읽는 속도는 느리지 만 대용량 기억이 가능 n 현재 사용하지 않는 프로그램은 보조 기억 장치에 저장 n 작업이 수행될 때, 보조 기억 장치에서 주 기억 장치로 정보를 이동함 (program loading) n 보조 기억 장치의 종류 n 자기 디스크 (FDD, HDD) n CD-ROM, DVD-ROM

자기 디스크 n n n 디스크 드라이브: 자기 디스 크로부터 데이터를 읽는 주 변 장치 원반 표면의 철 입자의 방향 (N/S)으로 0/1을 표현 FDD, HDD

FDD n n n Floppy Disk Drive 디스켓이라고 줄여서 지칭 두 종류의 크기 n 3. 5인치: 1. 44 MB n 5. 25인치: 1. 2 MB 장점: 가격이 저렴하고 이동이 간편 단점: 보조기억장치 중 읽고 쓰는 속도가 느림 3. 5인치 디스켓 5. 25인치 디스켓

HDD n Hard Disk Drive 여러 장의 원형 금속판에 magnetic 성분을 입혀 놓은 보조 기억장치 장점: 속도가 빠르고 기억 용량이 크다 단점: 이동이 힘들다

하드 디스크의 구성 Arm and disk Dust on the disk Whole disks and arms

CD-ROM n n Compact-Disk, Read. Only Memory 약 650+ MB의 용량

DVD-ROM n Digital Video Disk, Read Only Memory n 4. 7 GB ~ 17 GB의 저장 용량 n 멀티미디어용으로 많이 사용

기타 보조 기억 장치 n 광자기 디스크 (Magneto-Optical Disk) n 레이저 빔이 닿은 부분만 철 입자가 움직이게 되어 저장 밀도를 높임 자기 테이프, DAT n 플래시 메모리 n

컴퓨터 및 CPU의 구현 방식 n n n 컴퓨터의 데이터의 명령어의 버스 중앙처리 동작 방식 표현(문자, 숫자) 표현 장치(CPU)의 구현

컴퓨터의 동작 방식 n n 인간과 컴퓨터의 비교 n 인간: 눈, 귀, 코. . ⇒ 뇌 ⇒ 근육 세포 n 컴퓨터: 키보드, 마우스 ⇒ 중앙처리 장치, 기억 장 치 ⇒ 모니터, 프린터 n 내부적으로 저장된 정보의 일종인 프로그램의 지시 에 따라 동작한다 중앙처리 장치와 기억 장치의 상호 작용 n 중앙 처리 장치 n 컴퓨터의 모든 구성 요소를 관리하고, 프로그램 을 실행시키는 역할 n 기억 장치 n 프로그램과 데이터를 저장

컴퓨터의 동작 방식 n 주소(address) n n 프로그램 또는 데이터의 기억 장치 내 위치 읽기 : 중앙처리 장치 ⇒ (주소) 기억 장치 ⇒ 자료 쓰기 : 중앙처리 장치 ⇒ (주소&자료) 기억 장치 프로그램의 실행 n 중앙처리장치는 기억 장치에 저장된 명령어를 기억 장치에서 순서대로 읽고, 해석하여 명령어가 지시 하는 동작을 수행

컴퓨터의 동작 방식 프로그램 데이터

컴퓨터 내부의 데이터 표현 n 컴퓨터에서의 정보 단위 n 꺼짐(off)과 켜짐(on)의 전기적 상태를 0과 1로 간주하 기로 약속함 (bit) 8 n 8 bit = 1 byte : 2 =256가지의 정보를 표현 n 워드(word) : 컴퓨터의 데이터 처리 단위 n 32비트 컴퓨터 : 1 word = 4 byte

숫자의 표현 n 정수의 표현 n 2진수로 표현됨 n 3 bit로 표현할 수 있는 숫자: 0 – 7 (8개) n 보통 32 bit 또는 64 bit로 숫자를 표시 n 소수의 표현

문자의 표현 n n n 문자 하나를 숫자 하나에 대 응시킴 n 예) 0100001 : = ‘A’ ASCII n American Standard Code for Information Interchange EBCDIC(IBM) n Extended Binary Coded Decimal Interchange) n 그림 2 -18

문자의 표현 - 한글의 경우 n 조합형 코드 n 초성, 중성, 종성을 각각 5 bit로 표현 1 000 1 0 0 1 1 1 0 1 11 초성 ‘ㄱ’ 중성 ‘ㅏ’ 영어 = 0 한글 = 1 종성 ‘ㅇ’ n 완성형 코드 n 약 3000자의 글자를 순서 대로 배열한 후 번호를 매 김 숫자 (16 진수 ) 문자 B 0 A 1 가 B 0 A 2 각 B 0 A 3 간 . . .

명령어의 표현 n n 컴퓨터마다 이진수로 표현되는 명령어(instructor) 집 합이 존재 예) A 1 A 2 + A 3 n Load A 2, 3 : (hexadecimal) 05 02 00 03 n Load A 3, 1 : 50 03 00 01 n ADD A 1, A 2, A 3 : 70 01 02 03

버스 (BUS) n n 데이터의 통로 역할을 함 n 칩 내부의 연결 통로 n 칩 외부의 연결 통로 버스의 폭*)은 ALU, Register 의 워드 단위와 일치함 n *) n 버스의 구성 예 CPU MEM I/O 동시에 보낼 수 있는 비트 수

CPU의 구현 n n 성능 향상의 기법 n CISC vs. RISC n Pipelining n Superscalar vs. VLIW n MMX CPU 예 : Intel 무어의 법칙 암달의 법칙

성능 향상의 기법 n CISC n Complex Instruction Set Computer n n 복잡한 내부 명령어를 많 이 가짐 필요에 따라 여러 명령어 집합을 제공 n RISC n Reduced Instruction Set Computer n n n 필수적인 명령어만 제공 함 (CISC의 30%) 명령어의 조합을 통해 복 잡한 작업 수행 Pipeline을 통해 속도 향상 을 꾀함

Pipeline의 원리 n 명령어를 몇 개의 수행 단계로 나누어서 각 단계를 하나의 클럭 사이클에 수행 n n n 명령어의 수행 단계들을 동시에 처리 일종의 병렬처리 명령어의 수행 시간이 균등할수록 효과적임

5 단계 pipeline n 1 단계 : Instruction Fetch n n 2 단계 : Instruction Decode n n 명령어 실행 ID IF M EX ID IF WB M EX ID 읽거나 쓸 메모리 특정 위치에 접근 5 단계 : Write Back n IF EX ID 4 단계 : Memory access n n 명령어를 해석 3 단계 : Execution n n 명령어를 메모리에서 가져옴 IF 레지스터에 다시 씀 WB M EX WB M WB

Superscalar vs. VLIW n n n 여러 명령어를 동시에 fetch/decode/execute 할 수 있 는 마이크로 프로세서 문제점: 명령어들간의 의존성이 존재 n 명령어 A의 결과를 B에서 사용하게 될 때, A와 B의 수행이 동시에 처리되기 어렵다. 의존성 해결 방법에 따라 n Superscalar: 의존성을 하드웨어가 검사 n VLIW (Very Long Instruction Word) n 여러 명령어를 합쳐서 동시에 실행 가능한 하나 의 큰 명령어를 생성

MMX Technology n 멀티미디어의 효율적 처리를 위한 명령어 집합 필요성 Intel: MMX(Multi. Media e. Xtension) (1996. 4)

인텔 칩의 역사 n Intel CPU (IBM PC에 도입) n 초기의 8086과 호환성을 유지하면서 성능을 향상시 킨 것이 계속적인 성공의 열쇠 n 4 bit CPU: 4004 (1971) n 8 bit CPU: 8008, 8080 n 16 bit CPU: 8086/8088, 80286 n 32 bit CPU: 80386, 80486 n Pentium (1993) n Pentium II (1997): Pentium Pro + MMX n Pentium III n Pentium IV

Moore’s Law n CPU 내 트랜지스터의 수가 18 ~ 24개월 만에 두 배가 된다는 법칙

Amdahl’s Law n n 시스템의 특정부분 (e. g. CPU)의 속도 향상이 전체 시스템의 속도 향상으로 비례적으로 이어지지 않는 다. 메모리 속도가 고정된 상태에서 CPU가 향상돼도 시 스템 전체의 성능이 크게 향상되지 않음.