컴퓨터의 구조 2006년 1학기 컴퓨터의 개념 및 실습 Ver. 1.2

컴퓨터 시스템 하드웨어 (hardware) 소프트웨어 (software) 사람 컴퓨터 시스템을 구성하는 장비 하드웨어가 작업을 수행하게 하는 명령들의 집합 “프로그램”이라 불림 사람 프로그래머 (Programmer) 프로그램을 작성하는 사람 사용자 (User) 다른 사람이 작성한 프로그램을 사용하는 사람

컴퓨터 = 하드웨어 + 소프트웨어 하드웨어 전자 회로 및 기계 장치 중앙처리장치, 주/보조 기억 장치, 입출력 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, BASIC, Pascal 컴파일러에 의해서 기계어로 번역

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) 데이터를 정보로 변환 실제적으로 컴퓨터 명령어들을 수행

컴퓨터의 기본 구성 요소 (2) 출력장치(output device) 처리된 데이터와 정보를 사람이 이해할 수 있는 형태로 출력 처리된 데이터와 정보를 사람이 이해할 수 있는 형태로 출력 저장장치(storage, secondary storage) 데이터나 프로그램을 보관하기 위한 테이프나 디스크 등 주 기억장치를 보조 비교: 메모리, 일차 기억장치

컴퓨터의 기본 구성 요소 (3) 입력 장치, 출력 장치, 보조 기억 장치, 멀티미디어 장치  주변 장치 (Peripheral equipment)

개인용 컴퓨터 하드웨어: 기본 구성도

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)

입력 장치 타이핑(typing) 포인팅(pointing) 스캐닝(scanning) 단말기(terminal) 키보드를 이용하여 문자 입력 포인팅(pointing) 마우스를 이용하여 위치 입력 스캐닝(scanning) 레이저 광선을 이용하여 문서, 기호, 사진 등의 인쇄물을 직접 읽어 들임 예) bar code reader, handheld scanner, flatbed scanner 단말기(terminal) 입력 장치 + 화면 + 대형 컴퓨터와의 연결 장치

입력 장치의 예

마더보드(Motherboard) 칩들이 부착되어 있는 보드 Mainboard라고도 함

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

중앙 처리 장치 CPU의 구성 ALU, CU, Register로 구성 산술, 논리 연산 장치 (Arithmetic/Logic Unit, ALU) 산술 연산 : 덧셈, 뺄셈... 논리 연산 : AND, OR, NOT... 제어 장치 (Control Unit, CU) 프로그램에 따라 명령과 제어 신호를 생성 정보와 데이터의 흐름을 결정하고, 각종 장치의 동작을 제어

중앙 처리 장치 임시 기억 장소 (Register) CPU에서 사용하는 데이터를 일시적으로 저장 보통 30개 정도를 번호를 붙여 사용 Ex) ADD R2 R3 R5 00010100 0010 0011 0101 레지스터 3번과 레지스터 5번의 값을 읽어서 더한 후, 레지스터 2번에 그 결과를 저장하라.

프로그램에 의한 중앙 처리 장치 동작 과정 주기억장치의 기계어 코드 중앙처리장치 레지스터 R1 제어신호 R2 R3 ADD R4 주변장치 중앙처리장치 ADD R2, R3, R5 레지스터 R1 제어장치(CU) 제어신호 R2 R3 ADD R4 R5 산술논리연산장치(ALU) R6 R7 데이터값

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

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

PC의 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

메모리 주 기억 장치, 1차 기억 장치(primary storage) 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

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

주 기억 장치의 종류 RAM (Random Access Memory) 지정한 주소를 바로 읽고 쓸 수 있다 전원이 끊어지면 내용이 지워진다 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 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)

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 저장시 사용

캐시 메모리 (Cache Memory) 자주 사용되는 내용을 일시적으로 저장하여 프로그램 실행 속도를 빠르게 하는 용도 SRAM을 이용하여 접근 시간이 빠르나 비쌈. 레지스터 Cache memory 주기억장치 보조 기억 장치 가격 저렴 속도가 빠르고 용량이 작다

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

출력장치: 모니터 컴퓨터에서 나오는 결과 중 글자나 그림 등을 화면에 보여주는 장치 크기 화면의 크기를 대각선 방향으로 잰 길이를 인치로 나타냄 15인치, 17인치, 19인치, 20인치 해상도(resolution) 나타내는 그림이나 글자의 선명도를 결정하는 요소 화면에서 가로와 세로로 각각 몇 개의 점(pixel)을 나타낼 수 있는 가를 의미 800 × 600 : 800개의 점으로 구성된 가로줄이 600개 800 × 600, 1024 × 768, 1280 × 1024 실제 화면의 해상도 : 비디오 카드에 의해서 결정됨

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 4MB가 있어야 166만 색상(24비트)을 1280 × 1024의 해상도로 표현 가능

출력장치: 프린터 컴퓨터에서 나오는 결과를 종이 위에 인쇄하는 장치 종류 해상도에 따른 종류 : 2400 DPI, 1200 DPI, 600 DPI 내용물의 색상에 따른 분류 : 흑백, 컬러 인쇄방식에 따른 구분 : 레이저, 잉크젯, 도트 매트릭스 DPI가 클수록 더 정교한 글자나 그림 인쇄가 가능 다기능 프린터 : 프린터 + 복사기 + 스캐너 + 팩스 기능

보조 기억 장치 보조 기억 장치: 대용량의 데이터 저장 매체 프로그램이나 자료를 영구적으로 기억할 수 있는 기억장치 주기억장치에 비해 기억된 내용을 읽는 속도는 느리지만 대용량 기억이 가능 현재 사용되지 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

자기 디스크 디스켓, 하드 디스크 디스크 드라이브 : 자기 디스크로부터 데이터를 읽는 주변 장치 원반 표면의 철 입자의 방향 (N/S)으로 0/1을 표현

FDD Floppy Disk Drive 디스켓이라고 줄여서 지칭 디스크 : 하드디스크와 플로피 디스크를 함께 지칭할 때 사용 두 종류의 크기 3.5인치 : 1.44MB 5.25인치 : 1.2MB 자료를 읽기 위해서는 플로피 디스크 드라이브가 필요 장점 : 가격이 저렴하고 이동이 간편 단점 : 보조기억장치 중 읽고 쓰는 속도가 느림 3.5인치 디스켓 5.25인치 디스켓

HDD 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 ( 왼쪽부터 Whole disks and arms smoke particle, dust, fingerprint, human hair) Whole disks and arms

CD-ROM Compact-Disk, Read-Only Memory 약 650+ MB의 용량 오디오 컴팩트 디스크와 비슷

DVD-ROM Digital Video Disk, Read Only Memory 4.7 GB ~ 17GB의 저장 용량 멀티미디어용으로 많이 사용

기타 보조 기억 장치 광자기 디스크 (Magneto-Optical Disk) 레이저 빔이 닿은 부분만 철 입자가 움직이게 되어 저장 밀도를 높임 (원칙적으로 자기 디스크) 자기 테이프 순차적인 읽기/쓰기만 가능 DAT 테입과 유사하나 밀도를 높임 플래시 메모리 트랙 (Track) 010111011101000101101...

컴퓨터 및 CPU의 구현 방식 컴퓨터의 동작 방식 데이터의 표현 (문자, 숫자) 명령어의 표현 버스

컴퓨터의 동작 방식 인간과 컴퓨터의 비교 인간 : 눈, 귀, 코.. ⇒ 뇌 ⇒ 근육 세포 인간 : 눈, 귀, 코.. ⇒ 뇌 ⇒ 근육 세포 컴퓨터 : 키보드, 마우스 ⇒ 중앙처리 장치, 기억 장치 ⇒ 모니터, 프린터 컴퓨터는 정보를 ‘읽어’ 들이고, ‘가공’ 하고, ‘출력’함으로써 유용한 일을 한다 내부적으로 저장된 정보의 일종인 프로그램의 지시에 따라 동작한다

컴퓨터의 동작 방식 중앙처리 장치와 기억 장치의 상호 작용 중앙 처리 장치 컴퓨터의 모든 구성 요소를 관리하고, 프로그램을 실행시키는 역할 기억 장치 프로그램과 데이터를 저장 프로그램의 수행은 중앙처리 장치가 기억장치내의 프로그램/데이터를 주소를 이용하여 접근함으로써 이루어짐.

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

컴퓨터의 동작 방식 프로그램 데이터

컴퓨터 내부의 데이터 표현 컴퓨터에서의 정보 단위 꺼짐(off)과 켜짐(on)의 전기적 상태를 0과 1로 간주하기로 약속함 (bit) 8 bit = 1 byte : 28=256가지의 정보를 표현 워드(word) : 컴퓨터의 데이터 처리 단위 32비트 컴퓨터 : 1 word = 4 byte

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

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

문자의 표현 - 한글의 경우 1 1 1 1 1 1 1 1 조합형 코드 초성, 중성, 종성을 각각 5bit로 표현 완성형 코드 약 3000자의 글자를 순서대로 배열한 후 번호를 매김 1 1 1 1 1 1 1 1 숫자 문자 (16 진수 ) 초성 ‘ㄱ’ 중성 ‘ㅏ’ 종성 ‘ㅇ’ B0A1 가 영어 = 0 한글 = 1 B0A2 각 B0A3 간 ... ...

명령어의 표현 컴퓨터마다 명령어 (instructor) 집합이 존재 컴퓨터 내부에서는 명령 역시 이진수로 표현된다 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

1 word 1 word 명령어 형식 2진 표현 프로그램과 데이터 기억장치 주소 저장 내용 ? 00010000 LOAD 메모리 주소 상 수 값 1 word 명령어 형식 기억장치 주소 저장 내용 ? 00010000 01010000 00100000 00000000 00000011 00010100 01010000 00100100 00000000 00000001 00011000 01110000 00101000 00100100 00100000 00100000 00000000 00000000 00000011 00100100 00000000 00000001 00101000 00000000 00000100 2진 표현 프로그램과 데이터

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

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

성능 향상의 기법 CISC Complex Instruction Set Computer 복잡한 내부 명령어를 많이 가짐 필요에 따라 여러 명령어 집합을 제공 명령어 형식이 메모리를 참조하는 방식에 따라 다양하게 존재함 명령어의 복잡함으로 인하여 속도 향상에 한계가 있음 RISC Reduced Instruction Set Computer 필수적인 명령어만 제공함 (CISC의 30%) 명령어의 조합을 통해 복잡한 작업 수행 메모리 참조는 LOAD/STORE 만으로 한정 Pipeline을 통해 속도 향상을 꾀함

RISC 칩들 CISC방식의 속도 한계를 극복 Pipeline, Cache등의 기술을 저가로 실현 주로 워크스테이션이상 급에서 사용됨 대표적인 RISC 칩 SuperSPARC, UltraSPARC(Sun Micro Systems) R3000, R4000... R10000 (MIPS) Alpha (DEC) Power (IBM) PA-RISC (HP)

Pipeline의 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 한 명령어 수행 시간은 일정하나 처리율(throughput)은 향상

5 단계 pipeline IF ID EX M WB IF ID EX M WB 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 최대 다섯 개의 명령어가 동시에 수행된다

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

MMX Technology Intel : MMX(MultiMedia eXtension) (1996.4) 이미지/사운드/동영상 등의 멀티미디어 자료 처리

인텔 칩의 역사 단일 칩에 중앙 처리 장치를 집적 IBM PC에 도입되어 크게 양산됨 4bit CPU 4004 (1971) 초기의 8086과 호환성을 유지하면서 성능을 향상시킨 것이 계속적인 성공의 열쇠

인텔 칩의 역사 Pentium(1993) data bus:64 bit, 16KB cache(data(8)+command(8)) Pentium II(1997) : PentiumPro + MMX Pentium III Pentium IV : 현재

Moore’s Law 컴퓨팅 파워가 기하급수적으로 증가 CPU 내 트랜지스터의 수가 18 ~ 24개월 만에 두 배가 된다는 법칙 성능의 향상과 함께 가격 하락

인텔 칩의 발전

Amdahl’s Law 시스템의 특정부분 (e.g. CPU)의 속도 향상이 전체 시스템의 속도 향상으로 비례적으로 이어지지 않는다. 메모리 속도가 고정된 상태에서 CPU가 향상돼도 시스템 전체의 성능이 크게 향상되지 않음. 원래는 병렬처리 프로그램에서 주로 사용하는 용어 병렬처리 프로그램에서 차례로 수행되어야 하는 비교적 적은 수의 명령문들이, 프로세서의 수를 추가하더라도 그 프로그램의 실행을 더 빠르게 할 수 없도록 속도향상을 제한하는 요소를 가지고 있다.