컴퓨터의 구조
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컴퓨터의 구조
2006년 2 학기 컴퓨터의 개념 및 실습
![Page 2: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/2.jpg)
컴퓨터 = 하드웨어 + 소프트웨어 하드웨어
전자 회로 및 기계 장치 입출력 장치 , 중앙처리장치 , 주 / 보조 기억 장치 버스 (Bus): 각 구성 요소들을 연결하는 데이터의 통로
소프트웨어 하드웨어를 제어하여 작업을 수행하는 프로그램 명령문과 데이터로 구성 사람이 이해하기 쉬운 고급 언어로 작성
C, Java, … 고급언어 기계어로 번역 (by 컴파일러 )
![Page 3: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/3.jpg)
컴퓨터의 기본 구성 요소 (1)
입력장치 (input device) 컴퓨터가 처리할 수 있는 형태로 데이터나 명령을 받아 들이는 역할을 수행
프로세서 (processor) 중앙 처리 장치 (CPU: Central Processing Unit) 실제적으로 컴퓨터 명령어들을 수행
출력장치 (output device) 처리된 데이터를 사람이 이해할 수 있는 형태로 출력
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컴퓨터의 기본 구성 요소 (2)
저장장치 (storage, secondary storage) 데이터나 프로그램을 보관하기 위한 테이프나 디스크 등
주 기억장치를 보조 메모리 일차 기억장치
입출력 장치 , 보조 기억 장치 , 멀티미디어 장치 주변 장치 (Peripheral equipment)
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PC Hardware: 기본 구성도
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기본 구성 요소 설명
입력 장치 (Input) 중앙 처리 장치 (CPU) 주 기억 장치 (Memory, Primary Storage) 출력 장치 (Output) 보조 기억 장치 (Secondary Storage)
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입력 장치
타이핑 (typing): 키보드 포인팅 (pointing): 마우스 스캐닝 (scanning)
레이저 광선을 이용하여 문서 , 기호 , 사진 등의 인쇄물을 직접 읽어 들임
Barcode reader, handheld scanner, flatbed scanner
단말기 (terminal) 입력 장치 + 화면 + 대형 컴퓨터와의 연결 장치
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마더보드 (Motherboard or Mainboard)
칩들이 부착되어 있는 보드
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프로세서
프로세서 (processor) 프로그램을 실행 입력 , 출력 , 저장 장치 제어
중앙 처리 장치 (Central Processing Unit, CPU)
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중앙 처리 장치
CPU 의 구성 ALU + CU + Register 산술 , 논리 연산 장치 (Arithmetic/Logic Unit,
ALU) 제어 장치 (Control Unit, CU)
프로그램에 따라 명령과 제어 신호를 생성 정보와 데이터의 흐름을 결정하고 , 각종 장치의 동작을 제어
임시 기억 장소 (Register) CPU 에서 사용하는 데이터를 일시적으로 저장 보통 30 개 정도를 번호를 붙여 사용
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ADD R2, R3, R5
주변장치
제어장치 (CU)
산술논리연산장치 (ALU)
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
제어신호
데이터값
주기억장치의기계어 코드 중앙처리장치
ADD
레지스터
프로그램에 의한 중앙 처리 장치 동작 과정
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클럭 (Clock)
컴퓨터가 벽시계라면 시계추의 진동에 해당 중앙 처리 장치가 작업을 수행하는 단위 같은 종류의 CPU 라면 초당 클럭 수가 많을 수록
속도가 빨라짐 예 )
명령읽기
명령해독
데이터읽기
계산수행
결과저장
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PC 의 성능 및 용량
정보처리 성능 8- 비트 Machine: 동시에 1 바이트 (8 비트 ) 처리 64- 비트 Machine: 동시에 8 바이트 (64 비트 ) 처리
컴퓨터 처리 속도의 표현 MHz / GHz
초당 처리되는 machine cycle 의 수 MIPS
Million Instruction Per Second 초당 처리되는 명령어의 수
MFLOPS Million Floating-point Operation Per Second 초당 처리 가능한 실수 연산의 수
![Page 14: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/14.jpg)
PC 의 성능 및 용량
기억용량의 표현 KB: 1 kilobytes = 210 bytes = 1024 bytes
640KB = 640 x 1024 = 655360 bytes. MB: 1 megabytes = 1024 x 1024 bytes GB: 1 gigabytes = 1024 MB
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메모리
주 기억 장치 , 1 차 기억 장치 프로그램과 데이터는 메모리에 저장이 되어 있어야
프로세서에 의해 처리될 수 있음 . RAM : 전원이 공급되어 정상적으로 동작 중일
때만 기억 기능 수행 기억용량
주기억장치가 기억할 수 있는 자료의 양 최소 32MB – 64MB 보통 128MB – 512MB
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주 기억 장치
프로그램 수행을 위해 필요한 정보에 비해 레지스터의 용량은 너무 작음
정보를 저장해 두었다가 필요할 때 읽어 들이는 저장소로 이용됨 명령어 ( 프로그램 ) 와 데이터를 저장
주소 (address) 를 통해 자료의 위치를 지정 8 / 16 / 32 / 64 비트 단위로 읽고 씀 워드
(word) 읽기 / 쓰기 / 연산 단위인 워드의 길이에 따라 성능이 달라짐
접근 시간 (Access time) : 읽고 쓰는데 걸리는 시간 주 기억 장치의 종류 RAM + ROM
![Page 17: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/17.jpg)
주 기억 장치의 종류
RAM (Random Access Memory) 전원이 끊어지면 내용이 지워진다
보조 저장 장치가 반드시 필요함 RAM 의 크기는 프로그램의 수행 속도에 영향을 줌
CPU 에서 직접 접근이 가능한 유일한 저장 장치(cf. 하드 디스크 )
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주 기억 장치의 종류
SRAM (Static RAM) 리프레쉬 (refresh) 가 필요 없음
충전된 전하를 정기적으로 재충전 전력 소모가 적다 비싸다 , Cache 메모리에 사용
DRAM (Dynamic RAM) 리프레쉬 (refresh) 가 필요 SRAM 보다 저가 , 많이 사용됨 SDRAM (Synchronous DRAM), DDR
(Double Data Rate) SDRAM, RDRAM (Rambus DRAM)
![Page 19: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/19.jpg)
주 기억 장치의 종류
ROM (Read Only Memory) 대부분 읽을 수만 있는 장치 전원이 끊겨도 내용이 보존됨
예 ) 컴퓨터가 처음 켜질 때 ( 부팅 ) 자동으로 수행되는 명령어들을 저장
PROM(Programmable ROM) 한번 프로그램 가능
EPROM(Erasable PROM) 내용 변경 가능 ( 정기적으로 변경할 필요가 있는 프로그램 저장 위해 사용 )
![Page 20: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/20.jpg)
캐시 메모리 (Cache Memory)
자주 사용되는 내용을 일시적으로 저장하여 프로그램 실행 속도를 빠르게 하는 용도 주 기억장치를 읽지 않고 , Cache 를 이용
레지스터
Cache memory
주기억장치
보조 기억 장치
속도가 빠르고용량이 작다
가격 저렴
![Page 21: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/21.jpg)
출력 장치
화면 (screen) 문자 그래픽
프린터 (printer) 레이저 프린터 잉크 젯 프린터
![Page 22: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/22.jpg)
출력장치 : 모니터
컴퓨터에서 나오는 글자 , 그림 등의 결과를 화면에 보여주는 장치
크기 화면의 크기를 대각선 방향으로 잰 길이를 ‘인치’로
나타냄 해상도 (resolution)
화면에 나타나는 그림이나 글자의 선명도를 결정하는 요소 화면에서 가로와 세로로 각각 몇 개의 점 (pixel) 을 나타낼
수 있는 가를 의미 예 ) 800 × 600 : 800 개의 점으로 구성된 가로줄이 600 개 실제 화면의 해상도 : 모니터 + 비디오 카드에 의해서
결정됨
![Page 23: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/23.jpg)
출력장치 : 모니터
비디오 카드 주기억장치에서 만들어진 글자나 그림을 모니터에 나타내기 위한 전자신호로 변환하는 카드
사용하는 카드의 종류에 따라 최대 해상도 , 재생주기 , 표현할 수 있는 색상의 수가 결정됨
비디오 메모리 비디오 카드가 가지고 있는 자체 기억장치 모니터에 나타낼 자료를 미리 만드는데 사용됨 최소한 4MB 가 있어야 166 만 색상 (24 비트 ) 을 12
80 × 1024 의 해상도로 표현 가능
![Page 24: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/24.jpg)
출력장치 : 프린터
컴퓨터에서 나오는 결과를 종이 위에 인쇄하는 장치
종류 해상도 : 1200 DPI, 600 DPI 내용물의 색상 : 흑백 , 컬러 인쇄방식 : 레이저 , 잉크젯 ,
도트 매트릭스 DPI (dots per inch) 가 클수록 더
정교한 글자나 그림 인쇄가 가능
![Page 25: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/25.jpg)
보조 기억 장치 보조 기억 장치
프로그램이나 자료를 영구적으로 기억할 수 있는 기억장치
주기억장치에 비해 기억된 내용을 읽는 속도는 느리지만 대용량 기억이 가능
현재 사용하지 않는 프로그램은 보조 기억 장치에 저장
작업이 수행될 때 , 보조 기억 장치에서 주 기억 장치로 정보를 이동함 (program loading)
보조 기억 장치의 종류 자기 디스크 (FDD, HDD) CD-ROM, DVD-ROM
![Page 26: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/26.jpg)
자기 디스크
디스크 드라이브 : 자기 디스크로부터 데이터를 읽는 주변 장치
원반 표면의 철 입자의 방향 (N/S) 으로 0/1 을 표현
FDD, HDD
![Page 27: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/27.jpg)
FDD Floppy Disk Drive 디스켓이라고 줄여서 지칭 두 종류의 크기
3.5 인치 : 1.44MB 5.25 인치 : 1.2MB
장점 : 가격이 저렴하고 이동이 간편 단점 : 보조기억장치 중 읽고 쓰는 속도가 느림
3.5 인치 디스켓 5.25 인치 디스켓
![Page 28: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/28.jpg)
HDD
Hard Disk Drive
여러 장의 원형 금속판에 magnetic 성분을 입혀 놓은 보조 기억장치
장점 : 속도가 빠르고 기억 용량이 크다단점 : 이동이 힘들다
![Page 29: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/29.jpg)
하드 디스크의 구성
Arm and disk
Whole disks and arms
Dust on the disk
![Page 30: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/30.jpg)
CD-ROM
Compact-Disk, Read-Only Memory
약 650+ MB 의 용량
![Page 31: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/31.jpg)
DVD-ROM
Digital Video Disk, Read Only Memory 4.7 GB ~ 17GB 의 저장 용량 멀티미디어용으로 많이 사용
![Page 32: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/32.jpg)
기타 보조 기억 장치
광자기 디스크 (Magneto-Optical Disk) 레이저 빔이 닿은 부분만 철 입자가 움직이게 되어 저장 밀도를 높임
자기 테이프 , DAT 플래시 메모리
![Page 33: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/33.jpg)
컴퓨터 및 CPU 의 구현 방식
컴퓨터의 동작 방식 데이터의 표현 ( 문자 , 숫자 ) 명령어의 표현 버스 중앙처리 장치 (CPU)의 구현
![Page 34: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/34.jpg)
컴퓨터의 동작 방식
인간과 컴퓨터의 비교 인간 : 눈 , 귀 , 코 .. ⇒ 뇌 ⇒ 근육 세포 컴퓨터 : 키보드 , 마우스 ⇒ 중앙처리 장치 , 기억 장치 ⇒ 모니터 , 프린터
내부적으로 저장된 정보의 일종인 프로그램의 지시에 따라 동작한다
중앙처리 장치와 기억 장치의 상호 작용 중앙 처리 장치
컴퓨터의 모든 구성 요소를 관리하고 , 프로그램을 실행시키는 역할
기억 장치 프로그램과 데이터를 저장
![Page 35: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/35.jpg)
컴퓨터의 동작 방식
주소 (address) 프로그램 또는 데이터의 기억 장치 내 위치 읽기 : 중앙처리 장치 ⇒ ( 주소 ) 기억 장치 ⇒ 자료
쓰기 : 중앙처리 장치 ⇒ ( 주소 & 자료 ) 기억 장치 프로그램의 실행
중앙처리장치는 기억 장치에 저장된 명령어를 기억장치에서 순서대로 읽고 , 해석하여 명령어가 지시하는 동작을 수행
![Page 36: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/36.jpg)
컴퓨터의 동작 방식
기억장치 주소 저장 내용
…
16 변수 X 에 3을 저장한다.
20 변수 Y 에 1을 저장한다
24 변수 X 와 Y 를 더해 Z 에 저장한다
…
32 X : 3
36 Y : 1
40 Z : 4
프로그램
데이터
![Page 37: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/37.jpg)
컴퓨터 내부의 데이터 표현
컴퓨터에서의 정보 단위 꺼짐 (off) 과 켜짐 (on) 의 전기적 상태를 0 과 1 로 간주하기로 약속함 (bit)
8 bit = 1 byte : 28=256 가지의 정보를 표현 워드 (word) : 컴퓨터의 데이터 처리 단위
32 비트 컴퓨터 : 1 word = 4 byte
![Page 38: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/38.jpg)
숫자의 표현
정수의 표현 2 진수로 표현됨 3 bit 로 표현할 수 있는 숫자 : 0 – 7 (8 개 ) 보통 32 bit 또는 64 bit 로 숫자를 표시
소수의 표현
![Page 39: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/39.jpg)
문자의 표현
문자 하나를 숫자 하나에 대응시킴
예 ) 0100001 := ‘A’
ASCII American Standard
Code for Information Interchange
EBCDIC(IBM) Extended Binary Coded
Decimal Interchange)
그림 2-18
![Page 40: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/40.jpg)
문자의 표현 - 한글의 경우
조합형 코드 초성 , 중성 , 종성을
각각 5bit 로 표현
완성형 코드 약 3000 자의 글자를 순서대로 배열한 후 번호를 매김
1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1
영어 = 0한글 = 1
초성 ‘ㄱ’ 중성 ‘ㅏ’ 종성 ‘ㅇ’
숫자(16 진수 )
문자
B0A1 가
B0A2 각
B0A3 간
... ...
![Page 41: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/41.jpg)
명령어의 표현
컴퓨터마다 이진수로 표현되는 명령어 (instructor) 집합이 존재
예 ) A1 A2 + A3 Load A2, 3 : (hexadecimal) 05 02 00 03 Load A3, 1 : 50 03 00 01 ADD A1, A2, A3 : 70 01 02 03
![Page 42: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/42.jpg)
버스 (BUS)
데이터의 통로 역할을 함 칩 내부의 연결 통로 칩 외부의 연결 통로
버스의 폭 * ) 은 ALU, Register 의 워드 단위와 일치함
*) 동시에 보낼 수 있는 비트 수
버스의 구성 예
CPU I/OMEM
CPU I/OMEM
![Page 43: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/43.jpg)
CPU 의 구현
성능 향상의 기법 CISC vs. RISC Pipelining Superscalar vs. VLIW MMX
CPU 예 : Intel 무어의 법칙 암달의 법칙
![Page 44: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/44.jpg)
성능 향상의 기법
CISC Complex Instruction
Set Computer 복잡한 내부 명령어를
많이 가짐 필요에 따라 여러
명령어 집합을 제공
RISC Reduced Instruction
Set Computer 필수적인 명령어만
제공함 (CISC 의 30%) 명령어의 조합을 통해 복잡한 작업 수행
Pipeline 을 통해 속도 향상을 꾀함
![Page 45: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/45.jpg)
Pipeline 의 원리
명령어를 몇 개의 수행 단계로 나누어서 각 단계를 하나의 클럭 사이클에 수행 명령어의 수행 단계들을 동시에 처리 일종의 병렬처리 명령어의 수행 시간이 균등할수록 효과적임
![Page 46: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/46.jpg)
5 단계 pipeline
1 단계 : Instruction Fetch 명령어를 메모리에서 가져옴
2 단계 : Instruction Decode 명령어를 해석
3 단계 : Execution 명령어 실행
4 단계 : Memory access 읽거나 쓸 메모리 특정 위치에 접근
5 단계 : Write Back 레지스터에 다시 씀
IF
ID
EX
M
WB
IF
ID
EX
M
WB
IF
ID
EX
M
WB
IF
ID
EX
M
WB
IF
ID
EX
M
WB
![Page 47: 컴퓨터의 구조](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081419/5681320d550346895d986206/html5/thumbnails/47.jpg)
Superscalar vs. VLIW
여러 명령어를 동시에 fetch/decode/execute 할 수 있는 마이크로 프로세서
문제점 : 명령어들간의 의존성이 존재 명령어 A 의 결과를 B 에서 사용하게 될 때 , A와 B 의 수행이 동시에 처리되기 어렵다 .
의존성 해결 방법에 따라 Superscalar: 의존성을 하드웨어가 검사 VLIW (Very Long Instruction Word)
여러 명령어를 합쳐서 동시에 실행 가능한 하나의 큰 명령어를 생성
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MMX Technology
멀티미디어의 효율적 처리를 위한 명령어 집합 필요성 Intel: MMX(MultiMedia eXtension) (1996.4)
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인텔 칩의 역사
Intel CPU (IBM PC 에 도입 ) 초기의 8086 과 호환성을 유지하면서 성능을 향상시킨 것이 계속적인 성공의 열쇠
4bit CPU: 4004 (1971) 8bit CPU: 8008, 8080 16bit CPU: 8086/8088, 80286 32bit CPU: 80386, 80486 Pentium (1993) Pentium II (1997): Pentium Pro + MMX Pentium III Pentium IV
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Moore’s Law
CPU 내 트랜지스터의 수가 18 ~ 24 개월 만에 두 배가 된다는 법칙
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Amdahl’s Law
시스템의 특정부분 (e.g. CPU) 의 속도 향상이 전체 시스템의 속도 향상으로 비례적으로 이어지지 않는다 .
메모리 속도가 고정된 상태에서 CPU 가 향상돼도 시스템 전체의 성능이 크게 향상되지 않음 .