4장. 컴퓨터 시스템의 구성과 기능 다루는 내용 컴퓨터 분해를 통한 본체 살펴보기 컴퓨터 구성요소 컴퓨터의 기능 버스와 상호 연결

Section 01 컴퓨터 분해를 통한 본체 살펴보기 [그림 4-1] 컴퓨터의 분해와 연결

주 회로기판(main board)의 구성 [그림 4-2] 메인보드의 구성

Section 02 진법과 진법 변환 컴퓨터의 개념적 구성 [그림 4-3] 컴퓨터의 개념적 구성

컴퓨터 구성요소 하드웨어(hardware) 소프트웨어(software) 펌웨어(Firmware) 정보들의 전송 통로를 제공하고, 그 정보에 대한 처리가 실제 일어나게 해주는 물리적인 실체 하드와이어 프로그램(hardwired program) 부품을 연결하여 필요 기능을 수행하는 프로그래밍의 한 형식 특정 목적에만 사용, 다른 목적을 위해서 부품의 재연결이 필요 소프트웨어(software) 하드웨어가 특정 작업을 수행하도록 제어 신호들을 제공하는 일련의 코드들(codes) 혹은 명령어들 (instructions)의 집합 펌웨어(Firmware) 하드웨어와 소프트웨어의 중간단계에 해당 소프트웨어를 하드웨어화 시킨 것

동작들이 일어나는 시간을 지정하는 명령(command)들의 집합 소프트웨어 정보들의 이동 방향과 정보 처리의 종류를 지정 동작들이 일어나는 시간을 지정하는 명령(command)들의 집합 [그림 4-4] 소프트웨어의 분류

시스템 소프트웨어 시스템 소프트웨어 운영체제 컴퓨터 하드웨어의 기능 수행에 필요한 필수적인 작업을 수행 운영체제(윈도95/ 98/ 2000/ XP/ Vista, 눅스, 도스, Mac OS, 유닉스) , DBMS, 프로그래밍언어, 유틸리티 프로그램(V3, 윈집 등) 운영체제 컴퓨터 내의 하드웨어와 소프트웨어 자원을 관리 프로세스(process, 동작 중인 프로그램) 관리(생성, 삭제, 동기화 등) 주기억장치 관리 입출력장치(보조기억장치, 프린터, 모니터, 키보드 등) 관리 파일관리 : 디스크 스케쥴링, 빈 공간관리 사용자 인터페이스 제공 윈도우 창, 아이콘 장치고장 및 오류처리

펌웨어(Firmware) 시스템 효율을 높이기 위한 ROM에 들어 있는 기본 프로 그램 ROM에 프로그램이 고정되어 하드웨어의 특성도 가지고 있지만 실제로는 소프트웨어에 더 가깝다. 소프트웨어를 하드웨어화 시킨 것으로 소프트웨어와 하드웨어의 중간에 해당 전형적인 처리루틴, 비휘발성, 변경불가 등의 특징으로 특수한 영역(POST, BIOS 등)에서 많이 사용

하드웨어 컴퓨터의 주요 하드웨어 중앙처리장치, 기억장치, 입출력장치로 구성 중앙처리장치(Central Processing Unit: CPU) 프로세서(processor) '프로그램 실행'과 '데이터 처리'라는 중추적인 기능 수행 중앙처리장치는 제어 장치, 연산 장치, 레지스터 등으로 구성 기억장치(memory) 저장장치(storage device) 주기억 장치: CPU가 실행할 프로그램과 데이터를 저장(RAM) 보조기억 장치: 프로그램과 데이터를 영구 저장(HDD, FDD, CD-ROM) 입출력장치(I/O device) 사용자와 컴퓨터간의 대화를 위한 도구 입력 장치는 입력데이터를 컴퓨터가 이해하는 신호로 변환 (키보드, 마우스, 마이크 등) 출력 장치는 중앙처리장치가 처리한 결과를 출력하는 장치(모니터, 프린터, 스피커 등)

Section 03 컴퓨터의 기능 프로그램 실행 데이터 저장 데이터 이동 데이터 입력과 출력 기능 제어 CPU가 주기억장치로부터 프로그램 코드를 읽어서 실행 데이터 저장 프로그램 실행 결과로서 얻어진 데이터를 주기억장치에 저장 데이터 이동 보조기억장치에 프로그램과 데이터 블록을 주기억장치로 이동 데이터 입력과 출력 기능 사용자가 키보드를 통해 보내는 명령이나 데이터를 읽어 들인다. CPU가 처리한 결과 값이나 기억장치의 내용을 프린터(혹은 모니터)로 출력 제어 프로그램이 순서대로 실행되도록 또는 필요에 따라 실행 순서를 변경하도록 조정, 각종 제어 신호들을 발생하는 기능

명령어의 수행 과정 프로그램의 처리과정 명령어 인출(instruction fetch)과 명령어 실행(instruction execution) 반복 [그림 4-7] 명령어의 단계적 수행

레지스터(Register) 플립플롭의 구성된 장치 CPU내에서 실행 중간 결과나 적은 양의 자료를 임시로 저장 중앙처리장치 내의 임시 기억 장치역할 용도에 따라 다양한 레지스터가 존재

레지스터(Register) [그림 4-8] 컴퓨터 내부 구성에서의 저장장치

CPU내의 레지스터 프로그램 카운터(PC: Program Counter) 다음에 실행할 명령어의 주소를 저장하는 레지스터 명령어 레지스터(IR: Instruction Register) 메모리로부터 읽어온 명령어를 수행을 위해 일시적으로 저장하는 레지스터 기억장치 주소 레지스터(MAR: Memory Address Register) 읽기 동작이나 쓰기 동작을 수행할 기억장소의 주소를 저장하는 주소저장용 레지스터 기억장치 버퍼 레지스터(MBR: Memory buffer Register) 기억장치에 저장될 데이터 혹은 기억장치로부터 읽은 데이터를 임시적으로 저장하는 버퍼 입/출력 주소 레지스터(I/O AR: I/O Address Register) 입/출력 장치의 주소를 저장하는 주소 레지스터이다. 입/출력 버퍼 레지스터(I/O BR: I/O Buffer Register) 입/출력 모듈과 CPU 사이에 교환되는 데이터를 일시적으로 저장하는 레지스터

프로그램 코드는 컴퓨터에서 사용하는 형태와 가까운 저급 언어, 인간이 사용하는 형태와 가까운 고급 언어로 분류 정보의 표현과 컴퓨터 언어 프로그램 코드는 컴퓨터에서 사용하는 형태와 가까운 저급 언어, 인간이 사용하는 형태와 가까운 고급 언어로 분류 저급 언어(low-level language) 기계어(machine language)는 기계 코드(machine code)들의 집합 컴퓨터 하드웨어 부품들이 이해할 수 있는 언어 2진수 비트들로 구성된 코드

어셈블리 언어(assembly language) 정보의 표현과 컴퓨터 언어 어셈블리 언어(assembly language) 어셈블리 코드(assembly code)들의 집합 고급 언어와 기계어 사이의 중간 언어 저급 언어인 기계어와 일대일 대응 관계로 기계어로의 변환과정이 쉽다. 고급 언어(high-level language) 영문자와 숫자로 구성되어 사람이 이해하기 쉬운 언어 C, PASCAL, FORTRAN, COBOL 프로그래머가 쉽게 작성할 수 있으나 컴퓨터가 이해 할 수 있게 번역하는 과정 필요

컴파일러와 어셈블러 컴파일러(compiler) 어셈블러(assembler) 인간이 작성하기 쉬운 고급 언어 프로그램을 하드웨어가 이해할 수 있는 기계어 프로그램으로 번역하는 소프트웨어 어셈블러(assembler) 어셈블리 프로그램을 이진수의 기계어 프로그램으로 번역하는 소프트웨어

덧셈 연산을 수행하는 프로그램의 언어별 표현 기계어 표현 B [그림 4-9] 기계어로의 번역 과정

기계명령어 형식 연산 코드(op code) 오퍼랜드(operand) CPU가 수행할 연산을 지정해 주는 비트들 적재될 데이터가 저장된 기억장치 주소 혹은 연산에 사용될 데이터 비트 연산 코드의 비트 수가 3이면, 지정할 수 있는 연산의 최대 수는 23 = 8이 된다. 오퍼랜드의 비트의 수가 5이면, 주소 지정할 수 있는 기억장소의 최대 수는 25 = 32가 된다. [그림 4-10] 기계 명령어 형식

기억장치에 저장된 기계어 단어(word) 프로그램과 데이터가 기억장치에 저장되는 단위 CPU에 의해 한 번에 처리될 수 있는 비트들의 그룹 [그림 4-11] 기억장치에 저장된 기계어

명령어 사이클 (instruction cycle) 중앙처리 장치가 하나의 명령어를 실행하는 데 필요한 전체 처리 과정 인출 사이클(fetch cycle)과 실행 사이클(execution cycle)의 부 사이클(sub-cycle) 두 개로 구성 [그림 4-12] 명령어 부 사이클(sub-cycle)의 동작

실행 사이클(execution cycle) 인출 사이클과 실행 사이클 명령어 인출 (fetch cycle) 주기억 장치에 기억되어 있는 프로그램 명령어를 호출하는 과정 단계별 과정 프로세서는 PC가 지정하는 기억장소로부터 명령어를 인출 PC 내용을 증가시키고 인출된 명령어가 명령어 레지스터(IR)로 적재 프로세서는 명령어를 해석하고, 요구된 동작을 수행 실행 사이클(execution cycle) 명령어를 실행하는 단계 실행되는 동작 분류 프로세서와 기억장치 간에 데이터가 전송 프로세서와 I/O 모듈 간에 데이터가 전송 데이터에 대하여 지정된 산술 혹은 논리 연산이 수행 제어(control)동작 : 명령어의 순서가 변경될 때 사용된다.

기본 명령어 사이클 [그림 4-13] 기본 명령어 사이클

Section 04 버스와 상호 연결 버스 버스를 통해 전송되는 유형들 시스템 버스(system bus) 두 개 혹은 그 이상의 장치들을 연결하는 공유 전송 매체 공동으로 사용하는 신호선 제어버스, 데이터버스, 주소버스로 구분 버스를 통해 전송되는 유형들 프로세서가 기억장치로부터 명령어와 데이터를 읽는 유형 프로세서가 기억장치에 데이터를 저장하는 유형 프로세서는 I/O 모듈을 통해 I/O 장치로부터 데이터를 읽는 유형 프로세서가 I/O 장치로 데이터를 전송하는 유형 I/O 모듈이 DMA를 통하여 기억장치와 직접 데이터를 교환하는 전송 유형 시스템 버스(system bus) 프로세서, 기억장치 및 I/O 장치간의 통신을 위한 상호 연결

시스템 버스는 주소 버스(address bus), 데이터 버스(data bus), 제어 버스(control bus)로 분류 시스템 버스 시스템 버스는 주소 버스(address bus), 데이터 버스(data bus), 제어 버스(control bus)로 분류 주소 버스 데이터가 읽혀지거나 쓰여질 기억장소의 주소를 전송하는 통로 CPU가 외부로 발생하는 주소 정보를 전송하는 신호 선들의 집합 주소 선들의 수(주소 버스 폭)에 의해 CPU와 접속될 수 있는 최대 기억장치 용량이 결정 주소 버스의 비트 수가 16 비트라면, 최대 216 = 64K 개의 기억 장소들의 주소를 지정 가능 최대 기억장치 용량이 64K

시스템 버스 데이터 버스 모듈들 사이의 데이터 전송 통로 시스템 버스 데이터 버스 모듈들 사이의 데이터 전송 통로 CPU가 기억장치 혹은 I/O 장치와의 사이에 데이터를 전송하기 위한 신호 선들의 집합 데이터 선들의 수는 CPU가 한 번에 전송할 수 있는 비트 수를 결정한다.

시스템 버스 제어 버스 데이터 버스와 주소 버스의 사용을 제어하는 신호들을 전송하는 통로 시스템 버스 제어 버스 데이터 버스와 주소 버스의 사용을 제어하는 신호들을 전송하는 통로 CPU가 시스템 내의 각종 요소들의 동작을 제어하기 위한 신호 선들의 집합 기억장치 읽기/쓰기 신호, I/O 읽기/쓰기 신호, 전송 확인, 버스 요구, 버스 승인, 인터럽트 요구, 인터럽트 확인, 클럭(clock), 리셋(reset)들이 전송

CPU와 기억장치간의 데이터 이동 읽기 쓰기 동작을 모두 수행해야 하기 때문에 데이터 버스는 양방향성(bi-directional) 요구와 확인 신호를 사용하므로 제어 버스는 양방향성(bi-directional) 주소 버스는 주소가 CPU로부터 기억장치 혹은 I/O 장치들로 전송되므로 단방향성(uni-directional bus)

입출력 장치 제어기(I/O device controller) CPU와 외부장치들과의 데이터 송수신 입출력 장치 제어기(I/O device controller) 입출력 모듈 CPU와 입출력 장치의 속도의 차이를 극복하기 위해, 시스템 버스와 입출력 장치 사이에 존재 CPU로부터 입출력 명령을 받아서, 해당 입출력 장치를 제어하고 데이터를 이동시키는 명령을 수행

CPU ↔ 시스템 버스 ↔ 입출력 장치 제어기 ↔ 입출력 장치 입출력 장치 제어기(I/O device controller) 상태 레지스터 입출력장치의 현재 상태를 나타내는 비트들을 저장한 레지스터 준비상태(RDY)비트, 데이터전송확인(ACK)비트가 해당 상태 표시 데이터 레지스터 CPU로부터 입출력 장치간에 이동되는 데이터를 일시적으로 저장 CPU와 입출력 장치간의 데이터 흐름 CPU ↔ 시스템 버스 ↔ 입출력 장치 제어기 ↔ 입출력 장치

시스템 버스를 통한 구성장치의 연결 [그림 4-19] CPU와 입출력장치간의 버스 연결