1장. 컴퓨터의 기초 Lecture #1

1.1 컴퓨터의 개요 (1) 사회구조 변천 과정 제임스 와트의 증기기관 발명 전기 발명 컴퓨터와 통신 탄생 [ 정보통신의 발전 ] 컴퓨터 구조론

1.1 컴퓨터의 개요 (2) 컴퓨터 개요 초기 컴퓨터 : 계산을 목표로 함(전자계산기라고 통칭) 현재 컴퓨터 계산능력(데이터의 해석이나 모의 실험) 컴퓨터의 기억, 검색, 전달 기능을 이용한 대량 정보수집, 저장 정보를 여러 형태로 분류, 검색하는 정보처리 능력 프로그램에 의해 작업을 기억하여, 작업을 진행하고, 처리 결과의 상태에 따라 비교, 판단하는 판단 관리 능력 컴퓨터 구조론

1.1 컴퓨터의 개요 (3) 컴퓨터의 기능 원시 자료(source data)를 가공 처리하여 새로운 정보를 만든다. 정보(Information) : 필요에 따라 정해진 일정한 규정에 의해 자료를 정리, 가공하여 얻게 된 일종의 지식 원시 데이터 데이터 처리 정 보 [ 컴퓨터의 정보처리 기능 ] 컴퓨터 구조론

1.1 컴퓨터의 개요 (4) 컴퓨터의 특성 고속성 : 입력, 기억, 연산, 비교, 판단, 출력 등의 기능을 매우 빠른 속도로 처리. 정확성 : 정확한 프로그램과 자료가 주어지면 연산이나 처리를 정확하게 수행. 저렴성 : 복잡한 작업을 사람이 하는 것보다 저렴하게 처리. 범용성 : 활용분야가 광범위함. 다중성 : 여러 작업을 동시에 처리. 대용량성 : 많은 자료의 처리와 기억기능. 호환성 : 사용 프로그램과 자료를 상호 공유하여 처리. 컴퓨터 구조론

1.1 컴퓨터의 개요 (5) 디지털 컴퓨터의 구성 [ 디지털 컴퓨터의 구성 ] 컴퓨터 구조론

1.2 컴퓨터의 역사 (1) 계산기의 발전 최초 계산기 : 3000년 전의 주판. 1.2 컴퓨터의 역사 (1) 계산기의 발전 최초 계산기 : 3000년 전의 주판. 1617년 네피어(J. Napier)의 네피어 봉(bone) 곱셈용 계산 도구 1642년 파스칼(B.Pascal)은 최초의 기계식 탁상 계산기. 톱니바퀴를 이용한 덧셈, 뺄셈 연산. 1671년 라이프니치(B.V.Leibnitz)는 파스칼의 계산기 개량하여 기계식 속산표 기계 발명. 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 연산 컴퓨터 구조론

[ Babbage의 Analytical engine 구조 ] 1.2 컴퓨터의 역사 (2) 최초의 자동 컴퓨터 해석기계 : 바베지(C. Babbage)가 1834년에 고안. [ Babbage의 Analytical engine 구조 ] 컴퓨터 구조론

1.2 컴퓨터의 역사 (3) 근대 컴퓨터 IBM 설립과 MARK-1의 탄생 ABC와 ENIAC 이후 1.2 컴퓨터의 역사 (3) 근대 컴퓨터 IBM 설립과 MARK-1의 탄생 1866년 홀러리스(H.Hollerith) : PCS(Punch Card System) IBM MARK-1 : IBM 후원으로 릴레와 천공 카드를 이용한 기계식 컴퓨터. ABC와 ENIAC 이후 ABC 컴퓨터 : 전기적으로 작동하는 최초의 디지털 계산기 Atanasoff-Berry Computer ENIAC : 18,000개의 진공관과 1,500개의 릴레이로 구성된 전자식 계산기. 군사용으로 사용 UNIVAC-1 : 반도체 다이오드와 진공관을 사용한 최초의 상업용 컴퓨터. 컴퓨터 구조론

1.2 컴퓨터의 역사 (4) [ ENIAC의 구조 ] 컴퓨터 구조론

1.2 컴퓨터의 역사 (5) 프로그램 내장형 컴퓨터 폰 노이만(Von Neumann) 1.2 컴퓨터의 역사 (5) 프로그램 내장형 컴퓨터 폰 노이만(Von Neumann) 계산기에 기억장치를 설치하고 여기에 프로그램과 데이터를 저장한 다음 저장된 내용을 제어장치가 차례로 명령어를 읽어 명령어를 하나씩 읽어 내어 해독하고, 해독된 내용에 따라 데이터를 처리하여 그 결과를 출력장치로 보내어 문체를 처리한다. EDSAC : 프로그램 내장방식을 채택한 최초의 컴퓨터. 컴퓨터 구조론

1.2 컴퓨터의 역사 (6) [ 폰 노이만 기계의 구조 ] 컴퓨터 구조론

1.2 컴퓨터의 역사 (7) 컴퓨터의 발전과정 제 1세대 컴퓨터(1946 ~ 1958) 1.2 컴퓨터의 역사 (7) 컴퓨터의 발전과정 제 1세대 컴퓨터(1946 ~ 1958) CPU 회로소자 : 진공관(냉각장치 필요) 기억장치 : 수은 지연회로, 자기 드럼 언어 : 기계어 입출력장치 : 천공카드, 종이 테이프 UNIVAC-1, IBM 701, IBM 702, IBM 704 제 2세대 컴퓨터(1959 ~ 1964) CPU 회로소자 : 트랜지스터 기억장치 : 자기 코어, 자기테이프, 자기디스크 언어 : 어셈블리어, COBOL, FORTRAN, ALGOL, APL 등 운영체제의 개발, 다중 프로그램 가능 온라인 실시간 처리 시스템 방식 컴퓨터 구조론

1.2 컴퓨터의 역사 (8) 제 3세대 컴퓨터(1965 ~ 1971) 제 4세대 컴퓨터(1975 ~ 1979) 1.2 컴퓨터의 역사 (8) 제 3세대 컴퓨터(1965 ~ 1971) CPU 회로소자 : 직접회로(IC) IC, SSI, MSI 소프트웨어 체계 확립 운영체제, 다중 프로그램, 온라인 실시간 처리 시스템 등이 일반화 시분할 처리 방식(TSS:Time Sharing System) MIS(Management Information System)체계 확립 IBM 360시리즈, UNIVAC 9000시리즈, PDP-11 제 4세대 컴퓨터(1975 ~ 1979) CPU 회로소자 : LSI 캐쉬 기억장치, 가상 기억장치, 연상 기억장치 개인 컴퓨터의 대중화. 온라인 실시간 처리시스템이 보편화. 컴퓨터 구조론

1.2 컴퓨터의 역사 (9) 제 5세대 컴퓨터(1980 ~ ) CPU 회로소자 : VLSI 1.2 컴퓨터의 역사 (9) 제 5세대 컴퓨터(1980 ~ ) CPU 회로소자 : VLSI 대규모 종합 컴퓨터 네트워크가 추진 : 폭넓은 정보교환이 보편화. 소형의 전용 컴퓨터 지향. 컴퓨터 구조론

1.2 컴퓨터의 역사 (10) Intel Microprocessor [ Intel 마이크로프로세서의 트랜지스터 집적도 ] 1.2 컴퓨터의 역사 (10) Intel Microprocessor [ Intel 마이크로프로세서의 트랜지스터 집적도 ] 컴퓨터 구조론

1.3 컴퓨터의 구성 (1) 하드웨어 연산장치, 제어장치, 기억장치, 입력장치, 출력장치 하드웨어 기본 구성 컴퓨터 구조론

1.3 컴퓨터의 구성 (2) 중앙처리 장치(CPU) 사용자가 지시한 프로그램에 따라 컴퓨터의 동작을 제어하고 데이터들을 연산 및 처리하는 기능. [ 중앙 처리 장치의 구조 ] 컴퓨터 구조론

1.3 컴퓨터의 구성 (3) 중앙처리 장치(CPU) 주요 구성 요소 연산장치(ALU : Arithmetic Logic Unit) 가산기, 논리연산기, 보수연산기, 시프터, 상태플래그레지스터 제어장치(Control Unit) 레지스터(Register) 주기억장치(Primary Memory) 캐쉬메모리(Cache Memory) 주 메모리(Main Memory) 보조메모리(Auxiliary Memory) ROM(Read Only Memory) 컴퓨터 구조론

1.3 컴퓨터의 구성 (4) 주변 장치 입력장치 출력장치 보조기억장치 컴퓨터에게 직접 명령을 내리거나 데이터를 데이터를 입력할 때 사용하는 장치. 키보드, 마우스, 입력 펜, 스캐너, 디지타이저 등. 출력장치 처리된 결과를 문자, 그래프, 영상, 음성 등의 형태로 출력하는 장치. 모니터, 프린터, 플로터 등. 보조기억장치 컴퓨터가 당장 필요로 하지 않는 프로그램이나 자료들을 파일 형태로 기억했다가 필요한 시기에 주 기억장치로 옮겨서 수행. HDD, FDD, CD-ROM, DVD-ROM 등 컴퓨터 구조론

1.3 컴퓨터의 구성 (5) 소프트웨어 컴퓨터의 하드웨어를 동작시키기 위한 모든 기술, 방법 등을 갖춘 프로그램의 집합. 프로그래밍 언어 저급언어(low level language) 기계어 : 프로세서에게 직접 작업을 지시하기 위한 언어.(2진수로 작성) 어셈블리어 : 2진 코드로 구성된 기계어에 1:1로 대응하는 연산 코드를 정하여 사용하는 언어. 고급언어 인간이 사용하는 문장과 유사한 자연어로 구성되어 있어 프로그램을 이해하거나 작성하는데 용이한 언어. 컴파일러, 인터프리터 필요 컴퓨터 구조론

1.3 컴퓨터의 구성 (6) 소프트웨어의 체계 응용소프트웨어 시스템 소프트웨어 사용자가 문제를 해결하기 위하여 작성한 프로그램. 패키지 프로그램 – 워드프로세서, 데이터 베이스 유틸리티 프로그램 시스템 소프트웨어 컴퓨터 기능을 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 소프트웨어 운영체제, 제어 프로그램, 처리 프로그램 등 [ 소프트웨어 계층 구조 ] 컴퓨터 구조론

1.4 컴퓨터의 종류 (1) 데이터 형태에 의한 분류 아날로그 컴퓨터 (Analog computer) 1.4 컴퓨터의 종류 (1) 데이터 형태에 의한 분류 아날로그 컴퓨터 (Analog computer) 물리적인 양에 대한 연속적인 형태의 자료를 이용하여 측정하고 계산하여 출력하는 형태의 컴퓨터. 디지털 컴퓨터(Digital computer) 모든 데이터를 이산적인 숫자 형태로 표현, 연산 논리회로로 구성되며 모든 동작은 프로그램에 의해 수행 하이브리드 컴퓨터(Hybrid computer) 아날로그와 디지털 컴퓨터의 혼합. A/D변환기, D/A변환기를 내장. 과학 기술 계산용, 군사용 컴퓨터 구조론

1.4 컴퓨터의 종류 (2) 하드웨어 용도에 의한 분류 마이크로 컴퓨터(micro computer) 1.4 컴퓨터의 종류 (2) 하드웨어 용도에 의한 분류 마이크로 컴퓨터(micro computer) 마이크로 프로세서 중앙처리장치를 최소화하여 작게 만든 컴퓨터 기계 제어를 위한 마이크로 컨트롤러 목적으로 개발 개인용 컴퓨터(personal computer) 컴퓨터가 가격도 저렴해지고 개인별 소유가 용이함에 따라 불리워짐. 범용 컴퓨터(general purpose computer) 광범위한 분야에 걸친 문제들을 해결하기 위해 설계된 컴퓨터. 과학기술 계산용, 사무처리용으로 구분 컴퓨터 구조론

1.4 컴퓨터의 종류 (3) 컴퓨터 규모에 의한 분류 마이크로 컴퓨터(micro computer) 1.4 컴퓨터의 종류 (3) 컴퓨터 규모에 의한 분류 마이크로 컴퓨터(micro computer) CPU로 마이크로 프로세서를 사용하는 컴퓨터. One-chip micro computer 미니 컴퓨터(mini computer) Multi-user system으로 개발. 메인 프레임 컴퓨터(mainframe) 가격 대비 성능면에서 다른 컴퓨터 보다 앞서있다. 메인 프레임에 의해서만 제공될 수 있는 특수한 목적의 기능이 포함. 슈퍼 컴퓨터(super computer) 특수한 분야에서 고속으로 데이터들을 처리할 수 있는 특수한 컴퓨터. 컴퓨터 구조론

1.5 집 적 회 로 (1) 집적회로 한 개의 칩 안에 다수의 디지털 게이트를 구성하는 수많은 전자 부품들을 집적하여 만든 실리콘 반도체. 집적 회로의 장점 시스템의 크기가 작다. 동작 속도가 빠르다. 전력 소모가 적다. 수명이 반 영구적이다. 고장이 적어 신뢰도가 높다. 외부와의 연결 회로가 간단하다. 가격이 싸므로 경제적이다. 컴퓨터 구조론

1.5 집 적 회 로 (2) 반도체 제조 기술에 따른 집적회로 분류 디지털 집적 회로 모노리틱 하이브리드 양극형 단극형 박막형 1.5 집 적 회 로 (2) 반도체 제조 기술에 따른 집적회로 분류 디지털 집적 회로 모노리틱 하이브리드 양극형 단극형 박막형 후박형 MOSFET PMOS NMOS CMOS HMOS RTL ECL IIL DTL TTL 컴퓨터 구조론

1.5 집 적 회 로 (3) 회로의 집적도에 따른 분류 소규모 집적회로 (SSI : Small Scale Integrated circuit) 10개 미만의 게이트로 구성. 기본논리 회로가 내장되어 있는 것 의미. 중규모 집적회로 (MSI : Medium Scale Integrated circuit) 10~100(10~102)개 미만의 게이트로 구성. 대규모 집적회로(LSI : Large Scale Integrated circuit) 100~10,000(102~104)개 미만의 게이트로 구성. 컴퓨터 기억장치, 계산기 같은 기능 구현. 초대규모 집적회로 (VLSI :Very Large Scale Integrated circuit) 10,000~1,000,000(104~106)개 미만의 게이트로 구성. 초대규모 기억장치나 복잡한 마이크로 프로세서 구현. 컴퓨터 구조론

1.5 집 적 회 로 (4) 회로의 집적도에 따른 분류 울트라 집적회로 (ULSI :Ultra Large Scale Integrated circuit) * 1,000,000~100,000,000(106~108)개 미만의 게이트로 구성. 기가 집적회로 (GSI :Giga Scale Integrated circuit) * 100,000,000~10,000,000,000(108~1010)개 미만 게이트로 구성. 테라 집적회로 (TSI :Tera Scale Integrated circuit) * 10,000,000,000(1010)개 이상의 게이트로 구성. 컴퓨터 구조론

1.5 집 적 회 로 (5) TTL(Transistor-Transistor Logic) 1.5 집 적 회 로 (5) TTL(Transistor-Transistor Logic) 가장 많이 사용되고있는 논리군으로, DTL로부터 성능향상을 위해 다이오드를 트랜지스터로 바꾼 것. 구성 개방 컬렉터(open collector output) 출력 : 컬렉터가 개방되어 있기 때문에 사용 시 외부 드라이브 저항이 필요. 토템폴(totem-pole) 출력 : TTL의 표준출력. 전파지연이 감소되고 fan-out이 크며 출력 전력이 높다. 3-상태(Tri-state) 출력 : 개방 컬렉터 출력에서 두 개 이상의 컬렉터 게이트의 출력을 묶어서 공통 저항을 통해 전원에 연결함으로써 외부적으로는 AND기능을 수행하게 되며, wire-AND라 한다. 컴퓨터 구조론

1.5 집 적 회 로 (6) ECL(Emitter-Coupling Logic) 1.5 집 적 회 로 (6) ECL(Emitter-Coupling Logic) 슈퍼 컴퓨터 신호 처리기 같은 고속 회로에 이용. ECL 게이트의 트랜지스터는 불포화 상태에서 동작한다.(1~2 nano second의 지연시간을 가짐.) ECL 게이트의 기호 컴퓨터 구조론

1.5 집 적 회 로 (7) MOS(Metal-Oxide Semiconductor) 1.5 집 적 회 로 (7) MOS(Metal-Oxide Semiconductor) MOS에는 전자와 홀의 두개의 반송자 중 하나의 반송자에 의하여 전류가 흐르는 단극성 트랜지스터가 사용되는 NMOS가 대부분이다. 정상동작을 위해 두개의 반송자를 쓰는 ECL과 TTL 게이트의 쌍극 트랜지스터와 구별. 장점 주어진 칩 영역에 좀 더 많은 회로를 집적할 수 있는 고밀도 패킹. IC제조 기술이 좀더 간단하고 경제적. 전력소비가 쌍극성에 비해서 적다. 컴퓨터 구조론

1.5 집 적 회 로 (8) (a) n 채널 MOS구조 (b) n 채널 MOS 기호 컴퓨터 구조론

1.5 집 적 회 로 (9) CMOS(Complemented Metal-Oxide Semiconductor) 1.5 집 적 회 로 (9) CMOS(Complemented Metal-Oxide Semiconductor) 주로 저 전력 소모가 요구되는 시스템에 사용. 회로의 밀도가 높고 제조 공정이 단순하며, 전력 소비가 적어 경제적이다. 4000B series 40xx, 45xx 로 시작하는 논리소자 속도가 느리고, 래치업이 자주 발생 HC series High speed CMOS LS TTL과 유사한 사양을 가짐 HCT series 입력문턱 전압을 TTL 전위에 맞춘 것. [ CMOS 기호 ] 컴퓨터 구조론