제04장 컴퓨터 구조

단원 목표 저장 프로그램의 의미와 프로그램을 구성하는 명령어 형식을 이해한다. 저급 언어인 기계어와 어셈블리어를 이해한다. 주기억장치의 구조와 주소의 의미를 이해한다. 캐시메모리의 필요성과 의미를 이해하고 기억장치의 계층의 의미를 이해한다. 중앙처리장치를 구성하는 연산장치, 제어장치, 레지스터에 대하여 알아본다. 레지스터의 필요성과 종류를 알아본다. 마이크로프로세서의 성능을 좌우하는 요소를 알아본다. CISC 프로세서와 RISC 프로세서의 차이와 특징을 이해한다.

01. 폰 노이만의 저장 프로그램

프로그램 내장 방식 저장 프로그램(Stored Program) 방식 중앙처리장치(CPU) 메모리에 자료뿐만 아니라 프로그램도 저장하는 프로그램 내장 방식 저장 프로그램(Stored Program) 방식 폰 노이만이 고안 메모리에 자료와 프로그램이 함께 저장 중앙처리장치(CPU) 메모리에서 필요한 자료를 이용 저장된 명령어를 순차적(Sequential)으로 실행

명령어 형식 메모리에 저장되며, 프로그램을 구성하는 명령어의 형식과 종류 명령어(instruction)는 연산 부분(operation part)과 피연산 부분(operand part)으로 구성 연산 부분은 명령어가 수행해야 할 기능을 의미하는 코드 피연산 부분은 연산에 참여하는 자료를 의미하는 코드 명령어가 16비트로 구성 4비트는 연산 종류(opcode) 12비트는 피연산자의 메모리 주소(address) 피연산자 수는 없거나 2개 또는 3개 메모리 주소 또는 레지스터

명령어 종류 명령어의 연산자는 인간에게 친숙하게 표기하기 위하여 ADD(add), HLT(halt) 등의 단어를 이용 연산자 ADD(add) LDA(load address) STA(store address) HLT(halt) 등의 기호 단어를 이용 피연산자 A, B, C 등으로 기술

저급 언어 기계어 어셈블리어 사람에게 친숙하지 않아 이해하기 어려우나 컴퓨터에게 작업을 지시할 수 있는 언어 컴퓨터를 작동시키기 위해 0과 1로 나타낸 컴퓨터 고유 명령 형식 언어 어셈블리어 컴퓨터 명령어인 기계어를 사람이 일상 생활에서 사용하는 자연 언어와 유사하게 만든 언어 명령어는 연산자와 피연산자를 몇 개의 문자 조합으로 기호화

02. 다양한 기억장치

주기억장치 주기억장치의 구조 중앙처리장치가 해야 할 작업 내용인 프로그램 명령어와 프로그램에서 이용할 자료를 저장 주소 버스 메모리의 저장소는 주소(address)를 이용하여 각각 바이트 단위로 고유하게 식별 컴퓨터가 한 번에 작업할 수 있는 데이터의 단위를 워드 워드는 32비트 또는 64비트 버스 관련 자료 전달 경로 주소버스, 자료버스, 제어버스

주기억장치 RAM Random Access Memory, 임의 접근 메모리 DRAM과 SRAM 유일한 숫자인 주소를 사용하여 메모리의 특정 위치의 내용을 바로 참조할 수 있다는 의미 Random Access Memory, 임의 접근 메모리 소멸성(volatile) 기억장치 쓰기와 읽기의 두 회로가 있어서 정보의 쓰기와 읽기가 가능 DRAM과 SRAM DRAM은 전원이 연결된 상태에서 일정한 주기마다 전기적으로 재충전 필요 주기억장치로 주로 사용(SDRAM) SRAM은 전원만 연결되어 있으면 정보가 지워지지 않는 기억장치 캐쉬 메모리(cache memory)에 주로 사용

기억장치 ROM 읽기 전용 메모리, Read Only Memory 종류 한 번 저장된 자료는 더 이상 쓰기를 할 수 없이 읽기만 가능한 메모리 읽기 전용 메모리, Read Only Memory ROM, 비소멸성(nonvolatile) 메모리 ROM도 메모리에 임의 접근이 가능 종류 Mask ROM 자료를 써넣는 방식에 따라 기억된 데이터를 지우거나 변경할 수 없음 PROM(Programmable ROM) 임의의 프로그램을 기억 EPROM(Erasable Programmable ROM) 자외선 또는 X선 등을 이용하여 데이터를 지우거나 새로운 데이터를 입력

바이오스(BIOS: Basic Input/Output System) 컴퓨터의 부팅을 위한 펌웨어(firmware) 운영체제가 시스템을 제어하기 이전까지 하드웨어를 점검하여 컴퓨터를 실행 컴퓨터의 전원이 연결되면 바이오스는 먼저 POST 실행 POST(Power-On Self Test) 일련의 시동자체시험 과정 주기억장치와 보조기억장치, 컴퓨터 키보드, 그래픽 카드 등의 주변장치가 잘 연결되어 있는지 확인 관련 하드웨어의 이상 여부를 확인하는 초기화(initialize) 작업을 수행 만일 보조기억장치의 연결에 문제가 있거나 보조기억장치 내의 운영체제 파일에 문제가 있다면 바이오스는 부팅 불가 메시지를 출력 POST 과정에서 아무 문제가 없다면 운영체제를 컴퓨터의 메모리인 RAM에 로드(load)

캐쉬 메모리 캐쉬의 사용 이유 캐쉬의 종류 주변기기의 속도를 빠르게 하는 대표적인 방법이 캐시(cache) 메모리의 사용 CPU에 비해 상대적으로 주변기기의 속도가 매우 느림 주기억장치와 CPU의 속도의 차이를 해결 캐시 메모리는 메인 메모리보다 대개 약 10배쯤 더 빠름 저장 속도가 빠르고 고가인 SRAM을 이용 캐쉬의 종류 수준1 캐쉬, 수준2 캐쉬 디스크 캐쉬 RAM과 디스크 사이에 일정량의 임시메모리

자료의 참조 지역성(locality of reference) 주기억장치에서 캐시로 이동된 자료 계속 이용되어야 캐시를 효율적으로 사용 자료의 참조 지역성(locality  of reference) 기억장치에 저장된 자료는 시간적, 공간적으로 곧 다시 사용할 가능성이 높다는 원리 시간 지역성(Temporal locality) 최근에 참조한 자료가 다시 참조될 가능성이 높다는 원리 공간 지역성(Spatial Locality) 한번 참조된 자료의 주변 자료가 다시 참조될 가능성이 높다는 원리 결론 주기억장치보다 훨씬 빠른 속도를 가진 캐시 메모리를 이용하면 컴퓨터의 처리속도를 향상

보조기억장치 보조기억장치(secondary memory unit) HDD: 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive) 주기억장치보다 가격이 싸며, 전원 없이도 대용량의 자료를 영구적으로 저장할 수 있는 기억장치 보조기억장치(secondary memory unit) CPU 외부에 위치하며, 주기억장치의 제한된 기억용량을 보조 순차접근(sequential access) 방식 자기 테이프와 같은 저장장치는 순차적으로 접근이 가능 직접접근(direct access) 방식 자기 디스크와 자기 드럼은 원하는 위치에 바로 쓰고 읽을 수 있는 직접 접근이 가능 HDD: 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive) 헤드를 이용하여 여러 개의 원형 알루미늄 기판인 디스크에 자료를 저장하는 방식

HDD를 보완하는 SSD SSD 빠르게 확산되고 있는 차세대 대용량 저장장치이며, 가격이 계속 하락하면서 많은 컴퓨터에 내장 플래시메모리와 이를 제어하는 컨트롤러로 구성된 대용량 저장장치 SSD의 장점과 활용 HDD와 비교해 읽고 쓰는 속도가 빠르며 전력 사용량이 적고 충격에 강하며 발열과 소음도 적음 개인용 컴퓨터 사용자는 SSD에 운영체제와 자주 사용하는 프로그램을 설치 HDD에는 영화나 음악 같은 대용량의 자료를 저장하여 함께 사용

휴대가 간편한 외장하드와 USB 메모리 외장하드 플래시 메모리 USB 메모리 12TB 이하가 2.5인치 제품으로 출시 대부분의 제품이 USB 인터페이스로 컴퓨터와 연결 플래시 메모리 RAM과 ROM의 장점을 합친 메모리 소비전력이 적고, 전원이 꺼지더라도 저장된 정보가 사라지지 않는 비소멸성 메모리 디지털 텔레비전, 디지털 캠코더, 휴대전화, 디지털 카메라, 개인휴대단말기(PDA), 게임기, MP3 플레이어, USB 메모리 등에 널리 이용되는 보조 기억장치 USB 메모리 휴대용으로 가장 많이 사용 TV, 자동차 등에도 연결이 가능

저장장치의 계층 기억장치 계층의 필요 다양한 저장 장치의 이용 레지스터, 주기억장치, 보조기억장치 등 다양한 종류의 저장장치를 이용하는 이유는? 기억장치 계층의 필요 저장장치의 속도와 용량, 가격과 그 쓰임새를 고려 저장장치의 속도가 빠르면 가격이 비쌀 것이고 또한 동일한 비용으로 속도를 유지하려면 용량은 작아져야 함. 다양한 저장 장치의 이용 앞으로 이용하려는 프로그램이나 자료는 보조기억장치에 저장 현재 실행 중인 프로그램이나 자료는 주기억장치에 저장 현재 집중적으로 이용되는 프로그램이나 자료는 캐시 메모리에 저장 연산이 필요한 프로그램이나 자료는 레지스터에 저장하여 연산에 직접 이용

03. 중앙처리장치 CPU

중앙처리장치 CPU: Central Processing Unit 주요 구성 요소 메모리에 저장된 프로그램과 자료를 이용하여 실제 작업을 수행하는 회로 장치 CPU: Central Processing Unit 주요 구성 요소 연산장치: 자료의 연산을 수행 제어장치: 컴퓨터의 작동을 제어 레지스터: 연산에 필요한 자료를 임시로 저장 버스: 자료버스, 제어버스

연산장치 연산장치(ALU: Arithmetic and Logic Unit)는 산술연산과 논리연산을 수행하는 회로 레지스터의 이용 중앙처리장치의 임시기억장소인 누산 레지스터(Accumulator)와 자료 레지스터(Data Register)에 저장된 자료를 연산에 참여할 피연산자로 이용 결과는 다시 누산 레지스터에 저장되어 필요하면 주기억장치에 저장되거나 다른 연산에 이용 AC <- AC + DR 두 레지스터 피연산자의 연산을 연산장치가 제어장치의 신호를 받아 실행

제어장치 Control Unit 구성 신체의 여러 부분을 제어하는 인간의 뇌와 같이 제어장치는 중앙처리장치에서 연산을 제어 산술 및 논리 연산에 요구되는 작업을 연속적으로 수행하는 신호를 보냄으로써 연산장치와 레지스터가 명령을 수행하게 하는 장치 인간의 뇌와 같은 요소 구성 여러 개의 해독기(decoder)와 제어기로 구성

레지스터 여러 개의 레지스터를 가짐 중앙처리장치 내부처리 연산에 필요한 다양한 임시 기억장소 중앙처리장치는 컴퓨터가 명령을 수행하는 과정을 처리하기 위해 중앙처리장치 내의 레지스터 크기와 수는 중앙처리장치의 성능에 매우 중요한 요소이므로 가격과 성능을 고려하여 결정

명령어 처리 과정 명령어 처리과정 CPU와 주기억장치 간의 다양한 자료 전송이 발생 주기억장치의 명령어와 자료가 중앙처리장치의 여러 임시 저장장소인 레지스터로 전송되어 명령어를 처리한 후 다시 처리 결과인 자료가 주기억장치로 전송되는 과정을 거침

기계 주기(1) 명령어의 집합인 프중앙처리장치는 하나의 명령어를 실행하기 위하여 인출(fetch), 해독(decode), 실행 (execution)의 세 과정을 거침 하나의 명령어를 실행 중앙처리장치 인출(fetch) 또는 추출 해독(decode) 실행(execution)의 세 과정을 거침

기계 주기(2) 인출(fetch), 해독(decode), 실행(execution)의 세 과정 명령어의 집합인 프로그램을 실행하려면 세 과정인 기계 주기를 계속적으로 반복 인출(fetch), 해독(decode), 실행(execution)의 세 과정 인출 단계 제어 장치가 프로그램 카운터에 있는 주소로 다음에 수행할 명령어를 명령 레지스터에 저장 이후 다음 명령어를 수행하기 위해서 프로그램 카운터를 하나 증가 시킴 해독 단계 제어 장치는 명령어 레지스터에 있는 명령어를 연산 부분과 피연산 부분으로 해독 만일 명령어가 피연산부분이 있는 명령어라면 피연산 부분의 메모리 주소를 주소 레지스터에 저장 실행 단계 중앙처리장치는 각 구성 요소에게 작업 지시를 내림 하나의 명령어 실행이 종료되면 프로그램 카운터가 가리키는 다음 명령어를 가지고 다시 기계 주기를 반복

04. 프로그램 실행 과정

두 정수 합 구하기(1) 만일 두 수가 각각 32와 -18이라면 명령어 LDA의 기능 고급 언어로 기술된 C <- A + B, 두 수의 합 구하기 만일 두 수가 각각 32와 -18이라면 물론 기호 A는 32를 의미하며, 기호 B는 -18을 의미 메모리에 더 작은 단위의 여러 명령어 집합으로 구성하여 그 명령을 실행 두 정수의 합을 구하기 위해서는 다음과 같이 4개의 명령어 집합으로 가능 명령어 LDA의 기능 주소 레지스터(AR)의 주소 값을 갖는 메모리 자료(M[AR])를 누산 레지스터(AC)에 저장 이 처리를 위하여 자료 레지스터(DR)를 다시 누산 레지스터에 저장

두 정수 합 구하기(2) 명령어 LDA의 기능 고급 언어로 기술된 C <- A + B, 두 수의 합 구하기 주소 레지스터(AR)의 주소 값을 갖는 메모리 자료(M[AR])를 누산 레지스터(AC)에 저장 이 처리를 위하여 자료 레지스터(DR)를 다시 누산 레지스터에 저장

작업 명령어와 메모리 이해 피연산자 LDA A, ADD B, STA C, HLT의 명령어 수행 피연산자 A: 메모리 주소 0012FF40에 저장된 32 피연산자 B: 마찬가지로 명령어 ADD B에서 메모리 주소 0012FF44에 저장된 -18 피연산자 C: 명령어 STA C에서 피연산자 C는 메모리 주소 0012FF48을 가리키며 여기에는 32 + (-18)의 결과인 14가 저장

05. 마이크로프로세서

자료 버스 폭과 병목 현상 자료버스 폭 워드 크기(word size) 연산장치와 레지스터 등과 같은 CPU의 내부 구성 요소 간에 자료를 전달하는 통로의 비트 수 워드 크기(word size) 레지스터의 크기 ‘32비트 컴퓨터’, ‘64비트 프로세서(컴퓨터)’라는 용어의 의미 프로세서 내에 있는 레지스터의 크기 자료 버스 폭은 마이크로프로세서의 워드 크기와 비례하며 워드 크기와 같거나 더 큼 병목현상 레지스터는 64비트인데 자료 버스는 32비트라면 연산은 64비트 단위로 수행 한 번에 자료를 전달할 수 없으므로 병목 현상이 발생

마이크로프로세서 성능 자료버스 폭 클럭 속도 병렬 처리 컴퓨터의 성능 사이클당 연산 수와 자료 버스의 폭, 레지스터의 수와 크기, 그리고 캐시 메모리의 크기 등으로 결정 자료버스 폭 클럭 속도 클럭 속도의 단위인 Hz는 1초당 진동의 반복 횟수를 재는 단위 프로세서는 하나의 명령어를 특정 수의 클럭 사이클에서 실행 할 수 있으므로 클럭 속도는 연산 속도와 비례 병렬 처리 하나의 컴퓨터에서 2개 이상의 CPU를 이용하여 한 번에 여러 개의 명령어를 동시에 실행시키는 처리 방법 컴퓨터의 성능 CPU의 성능과 RAM의 용량, 외부 자료 버스의 크기

인텔의 마이크로프로세서 1971년 하나의 칩으로 된 컴퓨터(Computer On a Chip)라 부르는 마이크로프로세서 4004를 처음 출시 인텔 마이크로프로세서를 생산하는 대표적 기업 IBM이 IBM 호환 PC에 인텔의 8088 프로세서를 탑재하여 출시하면서 인텔은 눈부시게 성장 펜티엄 1993년에 인텔은 64비트 자료 버스를 사용한 마이크로프로세서인 펜티엄을 발표 아이테니엄 2001년에는 고성능 서버용으로 진정한 의미의 64비트 시대를 연 프로세서를 출시 코어 i3, i5, i7, i9 CPU를 출시 2011년 이후

무어의 법칙 "마이크로 칩의 처리 능력은 18개월마다 두 배로 증대된다" 인텔의 공동 설립자인 고든 무어(Gorden Moore)가 1965년도에 한 연설에서 유래 "마이크로 칩의 처리 능력은 18개월마다 두 배로 증대된다" 실제로 마이크로프로세서의 성능은 약 18개월에서 24개월마다 두 배로 증가 무어의 법칙은 앞으로 몇 년 안에 물리학의 근본 원리와 상충되는 어려움 때문에 지켜지지 않을지도 모름 인텔을 비롯한 마이크로프로세서 생산 업체는 이러한 무어의 법칙을 유지하기 위해 포괄적인 무어의 법칙 마이크로 칩의 처리 능력에만 국한되지 않고 정보기술 분야의 발전이 빠르게 진행되고 있다는 의미로 포괄적으로 이해

ITStrory: 무어의 법칙과 마이크로프로세서 성능의 한계 급변하는 정보기술 환경과 미세 공정 기술의 한계, 그리고 급증하는 투자 비용으로 인해 18개월마다 반도체의 용량을 2배씩 늘리는 일은 점점 어려워지고 있는 실정 무어의 법칙 저장 용량이 1년 6개월마다 2배씩 커진다는 법칙 무어의 법칙에 한계론 2016년 국제반도체기술로드맵(ITRS) 위원회 반도체 기술의 근간을 이뤘던 미세화 기술이 2021년 이후에는 더 이상 지속될 수 없다는 사실을 공식적으로 선언 순수한 성능보다 그래픽 기능이나 전력 효율 향상에 중점 긍정론 반도체 공정 및 디자인 부분에 혁신이 필요한 시기이며 이러한 어려움은 극복 미국 국가과학재단(National Science Foundation)은 ‘무어의 법칙 이면의 과 학 및 엔지니어링’(Science and Engineering behind Moore’s Law)이라는 이름의 프로젝트 제조, 나노기술, 다중 코어칩, 양자 컴퓨팅 등의 새로운 기술 연구를 재정적으로 지원 앞으로 몇 년 후에 무어의 법칙이 들어맞지 않더라도 계속된 노력으로 다른 측면의 기술은 발전

프로세서 분류: CISC 마이크로프로세서는 프로세서마다 고유한 명령어 집합을 제공 고유한 명령어 집합을 제공하는 마이크로프로세서는 CISC 계열과 RISC 계열로 구분 마이크로프로세서는 프로세서마다 고유한 명령어 집합을 제공 이 명령어는 크게 복합 명령어 집합으로 구성된 CISC(Complex Instruction Set Computing) 계열과 축소 명령어 집합으로 구성된 RISC(Reduced Instruction Set Computing) 계열로 구분 CISC: Complex Instruction Set Computing 복합 명령어 집합 컴퓨팅계열 명령어의 구조가 복잡하고 100-250개의 다양한 명령어를 제공 인텔의 80x86 계열과 모토롤라의 680x0 계열의 프로세서 복잡한 연산을 하나의 명령어로 처리하려는 의도에서 시작 CISC 의 명령어는 복잡한 연산을 수행하기 위해 다양한 길이를 가지며 메모리의 자료를 직접 참조하는 연산도 많이 제공 장단점 복잡한 프로그램을 적은 수의 명령어로 구성할 수 있는 장점 복잡한 명령어의 실행을 위한 복잡한 회로가 이용되므로 생산가가 비싸고 전력 소모가 많아 열이 많이 발생하는 단점

프로세서 분류: RISC RISC: Reduced Instruction Set Computing 장점 축소 명령어 집합 컴퓨팅 계열 명령어의 수가 적고 그 구조도 단순 레지스터 내부에서 모든 연산이 수행되며 메모리의 참조는 제한적 상대적으로 레지스터가 많은 특징 1988년 중반 애플의 매킨토시에 장착된 모토롤라의 PowerPC에서 처음 구현된 RISC 프로세서는 이후 Sun, HP, NEC의 워크스테이션 컴퓨터 장점 전체적으로는 RISC 프로세서는 CISC 프로세서보다 수행 속도가 빠름 하나의 프로그램을 수행하려면 RISC 프로세서는 CISC보다 많은 명령어를 실행해야 하지만 하나의 명령어가 단순하여 그 처리 속도가 매우 빠름

Thank you