1 컴퓨터 시스템 소개

학습목표 내용 컴퓨터의 기본 시스템을 이해한다. 컴퓨터 프로그램의 기본 단위인 명령어의 구성과 실행주기를 이해한다. 인터럽트의 개념과 처리 과정을 이해한다. 메모리의 역할과 계층 구조를 이해한다. 내용 컴퓨터 시스템 구성요소 컴퓨터 시스템의 동작

1. 컴퓨터 시스템 구성요소 컴퓨터 시스템 하드웨어(Hardware)와 소프트웨어(Software)로 구성. - 데이터를 처리하는 물리적인 기계 장치. - 프로세서(중앙처리장치), 버스, 메모리 등 다양한 주변장치로 구성됨. 소프트웨어(Software) : 특별한 작업 지시를 위해 명령어로 작성한 프로그램. 운영체제 - 컴퓨터 하드웨어와 사용자 사이에 위치하며 하드웨어와 소프트웨어 자원을 관리하는 프로그램. [그림1-1] 컴퓨터 하드웨어의 구성요소

1. 컴퓨터 시스템 구성요소 프로세서(Processor) 운영체제와 가장 밀접한 하드웨어로 각 부분의 동작 제어 및 연산 수행. 중앙처리장치(CPU: Central Processing Unit)라 하며 레지스터, 산술 논리 연산장치, 제 어장치 등으로 구성. 마이크로프로세서(Microprocessor) 주기억장치를 제외한 레지스터, 산술 논리 연산장치, 제어장치를 칩 하나로 구성. 개인용 컴퓨터(PC: Personal Computer)에서 주로 이용. [그림1-2] 프로세서 구성요소

1. 컴퓨터 시스템 구성요소 프로세서 (Processor) 제어장치(Control Unit) 주기억장치에 기억된 명령을 꺼내서 해독하고, 시스템 전체에 지시신호를 내는 장치 연산장치(ALU, Arithmetic and Logic Unit) 제어장치의 명령에 따라 실제로 연산을 수행하는 장치 산술연산, 논리연산, 관계연산, 이동 등을 수행 레지스터(Register) 프로세서 내부에서 처리할 명령어나 연산의 중간결과값 등을 일시적으로 기억하는 임시 기억 장소

1. 컴퓨터 시스템 구성요소 버스(Bus) 프로세서를 포함한 각 장치 간 또는 서브시스템을 서로 연결하여 정보(데이터)를 주고받 을 수 있게 해주는 통로. 컴퓨터 내부의 각 요소에 대한 다양한 신호(예: 데이터 입출력 신호, 프로세서 상태신호, 인터럽트 요구와 허가 신호, Clock 신호 등)는 공동 통신 채널, 즉 버스를 통해 전달된다. 버스의 위치에 따라 내부 버스와 외부 버스로 분류. 내부 버스 - 프로세서 내부에서 레지스터, 연산장치, 메모리와의 인터페이스 등을 연결. - 시스템 버스 인터페이스 회로를 통해 외부 버스와 연결. 외부 버스 - 프로세서와 메모리, 프로세서와 입출력장치, 입출력장치와 입출력장치를 연결. - 시스템 버스라 부르며 각 시스템 버스는 버스 제어기라 불리는 제어 회로를 가짐. 1. 메모리 버스 : 프로세서와 메모리 또는 캐시 메모리를 연결하여 데이터 교환하며, Backside Bus와 Frontside Bus로 구분. - Backside Bus : 프로세서와 캐시 메모리간의 전용 채널로 프로세서와 동일한 속도로 데이터 전송. - Frontside Bus : 프로세서와 메모리 간의 데이터를 전송하며 속도가 느림. 2. 주변 버스 : 입출력 버스, 프로세서와 주변 장치를 연결하여 데이터 전송.

1. 컴퓨터 시스템 구성요소 버스(Bus) 버스의 기능에 따라 데이터 버스, 주소 버스, 제어 버스로 분류. 데이터 버스 - 컴퓨터 시스템에서 데이터(자료), 명령어 등의 정보를 교환하는 전송로. - 프로세서에서 메모리나 입출력 장치로 데이터 출력 또는 반대로 데이터를 입력 받을 때 사용하는 양방향 버스. - 데이터 버스 신호선의 수가 해당 프로세서의 워드 길이와 같으므로 프로세서 성능을 결정. 주소 버스 - 하나의 시스템 장치에서 다른 장치로 주소 정보를 전송하기 위해 사용. - 신호(주소)선의 수에 따라 최대 사용 가능한 메모리 용량이나 입출력장치 수를 결정. 제어 버스 - 프로세서가 저장장치와 입출력장치에 데이터를 전송할 때, 현재 수행중인 작업 종류나 상태를 다른 장치에 알 릴 때 이용하는 단방향 버스. [그림1-3] 기능에 따른 버스 분류

1. 컴퓨터 시스템 구성요소 버스(Bus) RAM CPU 32bit 32bit 32bit 32bit 32bit 자료의 표현 비트 - 정보의 최소단위. - 두 가지 상태(0 또는 1)를 표시하는 2진수 1자리임. 바이트 - 문자를 표현하는 최소 단위. - 8개의 비트가 모여 1바이트를 구성함. 워드 - 컴퓨터가 한번에 처리할 수 있는 명령 단위 : 처리의 단위 RAM CPU 32bit 연산 시 CPU의 레지스터로 이동 즉, RAM과 CPU사이의 32개의 전선이 필요. 레지스터 : 32bit 32bit 32bit 32bit bus(데이터의 이동통로) : 워드 단위로 데이터가 이동된다. 32bit 8

1. 컴퓨터 시스템 구성요소 레지스터(Register) 프로세서에 위치한 고속 메모리로 프로세서가 바로 사용할 수 있는 데이터를 저장. 특수한 값 하나를 저장하는 기억 공간으로 사용. 컴퓨터의 구조에 따라 크기 및 종류가 다양함. 용도에 따라 전용 레지스터와 범용 레지스터, 저장되는 정보의 종류에 따라 데이터 레지스터, 주 소 레지스터, 상태 레지스터로 나뉨. 사용자가 저장한 정보의 변경 여부에 따라 사용자 가시 레지스터(User-Visible Register)와 사용자 불가시 레지스터(User-Invisible Register)로 분류됨. 사용자 가시 레지스터(User-Visible Register) : 운영체제(시스템)와 사용자 프로그램을 통해 접근 가능한 데이터와 주소, 일부 조건 코드를 보관. - 조건 코드 예 : 관련된 연산 결과로 발생하며, 프로그램적으로 접근하는 제로(0), 자리넘침, 자리올림, 양수 (Positive) 비트 등. 데이터 레지스터 - 함수 연산에 필요한 데이터 저장. - 수치, 문자 등을 저장하므로 산술이나 논리 연산에 이용되며, 연산 결과로 플래그 값을 저장.

1. 컴퓨터 시스템 구성요소 레지스터(Register) 주소 레지스터 - 주소나 유효 주소를 계산하는 데 필요한 주소의 일부분을 저장. - 주소 레지스터에 저장된 값(수치 데이터)을 이용해 산술 연산 가능. [표1-1] 주소 레지스터의 종류 ※ 유효 주소 : 기계어 명령을 수행할 때 주소 연산 끝에 최종적으로 피연산자가 있는 곳을 가리키 는 주소. 즉, 실제 연산에 사용될 데이터가 있는 주소를 말한다.

1. 컴퓨터 시스템 구성요소 레지스터(Register) + 메모리 관리 장치 (MMU) 프로세서 메모리 기준 레지스터 프로세서 실제 데이터나 프로그램이 저장되는 공간 : 물리적 공간 (물리적 주소) 프로그래머가 프로그래밍에 사용하는 공간 : 논리적 공간(논리적 주소) 프로세서 메모리 관리 장치 (MMU) 메모리 프로그램 (논리 또는 가상 주소) 하드웨어 (물리 또는 실제 주소) 주소 변환 (Memory Mapping) 변환 기법 고정 분할 동적 분할(가변 분할) 페이징(Paging) 세그먼트(Segmentation) 페이지화된 세그먼트 프로세서 346 논리적 주소 기준 레지스터 + 메모리 관리 장치 1400 메모리 1746 물리적 주소 11

1. 컴퓨터 시스템 구성요소 CPU와 주기억장치(RAM)간의 명령어 인출 시 CPU의 레지스터에서 처리되는 과정 제어장치 주소 (Address) 제어장치 109 108 MBR IR(OPR) 107 106 MAR Decoder 105 104 I5 103 I4 AC PC 102 I3 100번지 101 I2 100 I1 연산장치 ( = ADD 30,40 )

1. 컴퓨터 시스템 구성요소 레지스터(Register) 사용자 불가시 레지스터(User-Invisible Register) : 프로세스의 제어와 상태 관리. - 프로그램 카운터, 명령어 레지스터, 프로그램 상태 레지스터, 메모리 주소 레지스터, 메모리 버퍼 레지스터 등 이 속함. 프로그램 카운터(PC: Program Counter) - 프로그램 수행을 제어하는 명령어 실행 순서를 보관. 즉, 다음에 실행할 명령어의 주소 저장. - 계수기로 되어 있어 실행할 명령어를 메모리에서 읽으면 프로그램 카운터가 증가. 명령어 레지스터(IR: Instruction Register) - 현재 수행하는 명령어를 저장, 명령어의 연산자 부분만 보관하므로 다른 레지스터만큼 비트를 가질 필요는 없 음. - 명령어 연산자는 메모리 내에서만 전달되므로, 메모리 버퍼 레지스터와 명령어 레지스터 사이에 직접 정보 전 달 경로를 통해 명령어 연산자를 빠르게 전달 가능. 프로그램 상태 레지스터(PSR: Program Status Register) - 상태 정보(플래그, 프로그램 카운터에 저장된 주소 정보 등)를 저장. - 프로그램이 수행되는 순간마다 프로그램의 수행 상태와 프로세서 상태를 나타냄. 메모리 주소 레지스터(MAR: Memory Address Register) - 접근하려는 메모리의 주소 저장. - 주소 레지스터, 프로그램 카운터 등으로부터 주소 정보를 전달받음. 13

1. 컴퓨터 시스템 구성요소 레지스터(Register) 그 외. 메모리 버퍼 레지스터(MBR: Memory Buffer Register) - 메모리에서 정보를 읽거나 정보를 저장할 때 사용. - 연산장치를 통해 메모리 주소 레지스터, 인덱스 레지스터, 프로그램 카운터 등의 주소 레지스터와 데이터 레지 스터에 정보를 전달하는데 사용 누산기(AC:Accumulator) - 연산장치에 있는 레지스터의 하나로 연산 결과를 일시적으로 기억할 때 사용. 그 외. 프로세서에는 다양한 레지스터가 존재한다. [그림1-4] 프로세서의 기본 레지스터

1. 컴퓨터 시스템 구성요소 메모리(Memory) 메모리 계층 구조. 메모리 계층 구조는 1950년~1960년대 메인 메모리의 높은 가격으로 인해 제안된 방법으로, 다 양한 레벨의 메모리를 연결하여 비용, 속도, 용량, 접근 시간 등을 상호 보완한 것. 메인 메모리를 중심으로 아래는 자기 디스크, 광학 디스크, 자기 테이프가 있으며, 위로는 캐시와 레지스터가 있음. - 자기 디스크 : 대용량 - 광학 디스크 : 이동이 편리함. - 자기 테이프 : 파일을 저장하기 위한 속도가 느림. - 캐시 : 메인 메모리와 프로세서의 속도 차를 보완. - 레지스터 : 프로세서가 사용할 자료를 보관하는 가장 빠른 기억소자. 비용,속도,크기가 다른 메모리를 효과적으로 이용해 시스템의 성능 향상을 위해 사용함. [그림1-5] 메모리 계층 구조