3장 컴퓨터 구조

(1)

3장 컴퓨터 구조

컴퓨터공학 개론

(2)

학습 목표

 컴퓨터의 동작을 이해하는 것이 왜 필요한지 배운다.

 CPU는 무엇이고, 어떻게 동작하는지 배운다.

 디지털 논리 회로가 어떻게 동작하는지 배운다.

 기본적인 부울(Boolean) 연산에 대해 배운다.

 기본적인 논리 게이트가 어떻게 동작하는지,

또 이것이 복잡한 컴퓨터 회로를 구축하는데

어떻게 사용되는지 이해한다.

(3)

학습 목표(계속)



폰 노이만(Von Neumann) 구조의 중요성을 배운다.



컴퓨터가 어떻게 메모리를 사용하는지 이해한다.



시스템 버스가 무엇이고 그것의 목적은 무엇인지 배운다.



메모리와 저장 장치의 차이점을 이해한다.



기본적인 입/출력 장치에 대해 배운다.



컴퓨터가 어떻게 인터럽트와 폴링을 사용하는지 이해한다.

(4)

컴퓨터 구조를 배워야 하는 이유

 컴퓨터: 소프트웨어를 실행시키기 위해 디자인된 하드웨어

 컴퓨터 과학 전공자를 위한 중요한 공지:

하드웨어와 소프트웨어간의 논리적 연결을 이해하라

 컴퓨터 구조: 컴퓨터 시스템에 존재하는

하드웨어 컴포넌트들의 구성

(5)

본체 내부

 컴퓨터 구조: 외부적 관점



모니터



키보드와 마우스



컴퓨터 케이스

 CPU (central processing unit)



케이스 안의 메인보드 또는 마더보드에 존재



다른 모든 것들은 CPU를 지원하기 위해 존재



컴퓨터 구조 공부의 포인트

(6)

(7)

그림 3-2 컴포넌트의 이름이 표시된 메인 보드

(8)

CPU

 CPU는 컴퓨터



실제 처리를 수행하는 디지털 컴포넌트를 포함



수백만 개의 트랜지스터로 이루어짐

 트랜지스터



켜짐(on) 상태와 꺼짐(off) 상태를 나타낼 수 있는 소형 전자 스위치



칩 하나에 수 백만개의 트랜지스터가 들어감



회로: 트랜지스터가 모여 이루어진 상위구조

(9)

CPU (계속)

 네 가지 기본 기능 : 덧셈, 디코딩, 시프팅, 저장

 기능을 수행하는 네 가지 회로



가산기 : 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈을 수행



디코더 : 패턴이 인식되면 특정한 비트의 출력을 1로 설정



시프터: 비트들을 오른쪽 또는 왼쪽으로 이동



플립-플롭 (래치): 메모리 비트를 저장

(10)

트랜지스터의 동작

 구성 재료: 실리콘 또는 게르마늄

 논리적 구성: 이미터, 컬렉터, 베이스

 전기 스위치같은 트랜지스터



베이스는 현재 전원 상태를 제어



전압의 출력으로 1과 0을 표현

 크기: 펜티엄 IV CPU에서 트랜지스터의

너비는 130 나노미터(nanometer)

(11)

그림 3-3 NOT 게이트와 같은 논리 회로를 만드는데 사용되는 트랜지스터

(12)

디지털 논리 회로

 논리 회로



트랜지스터 구성의 다음 단계



단계적 스위칭 기능을 갖는 트랜지스터



부울 대수 표현 기능

 부울 대수



이진 입력과 출력의 관계를 기술



기본 연산자: AND, OR, NOT



부울 대수의 값은 참(1), 거짓(0)



부울 수식은 부울 연산자와 이진 값으로 이루어짐

(13)

디지털 논리 회로(계속)

 진리표



부울 수식을 표를 사용하여 표현한 것



행은 가능한 모든 입력의 조합을 나타냄



2ⁿ 개의 행은 n 개의 입력이 필요 (n이 양수일 경우)



예: 2개의 입력은 4개의 행을 나타냄 2² = 4

(14)

기본 부울 연산자



세 가지 기본 연산자 : AND, OR, NOT



AND 연산자

 두 개의 값(x, y)을 입력 받아 하나의 출력(z)을 만든다.

 두 개의 입력이 모두 1일 때 출력이 1(참)

x = 1, y = 1 -> z = 1

 다른 모든 입력 조합은 0을 출력

 부울 수식 : xy = z

(15)

기본 부울 연산자(계속)



OR 연산자



두 개의 값(x, y)을 입력 받아 하나의 출력(z)을 만든다.



두 개의 입력 중

하나만 1이면 1을 반환



두 개의 입력이 모두 0일 때 출력이 0(거짓)



부울 수식 : x + y = z

(16)

기본 부울 연산자(계속)



NOT 연산자



하나의 입력 (x) 으로 하나의 출력 (z)을 만듬



입력을 반대로 만드는 것

x = 1 -> z = 0

x = 0 -> z = 1



부울 수식: x = z or x

= z

(17)

디지털 빌딩 블록

 회로 계층

 게이트: 부울 논리를 구현하기 위해 컴퓨터에 있는 트랜지스터 기반 회로

 게이트의 조합은 결국 컴퓨터가 원하는 모든 작업을 할 수 있도록 만들어 준다

 연관성

 서로 다른 전압 레벨로 이진의 0과 1을 표현

 하나의 게이트에서 나온 출력은 다른 게이트에 대한 입력 중의 하나가 된다

 기본 게이트 6가지

 AND, OR, NOT (기본 게이트)

 NAND, NOR, XOR (AND, OR, NOT으로 구성)

(18)

디지털 빌딩 블록 (계속)



AND 게이트



두 개의 입력과 하나의 출력으로 구성



진리표는 AND 부울 연산자의 진리표와 동일

(19)

디지털 빌딩 블록 (계속)



OR 게이트



두 개의 입력과 하나의 출력으로 구성



진리표는 OR 부울 연산자의 진리표와 동일

(20)

디지털 빌딩 블록 (계속)



NOT 게이트



하나의 입력과 하나의 출력으로 구성



진리표는 NOT 부울 연산자의 진리표와 동일

(21)

디지털 빌딩 블록 (계속)



NAND 게이트



AND 게이트의 출력을 받아서 NOT을

사용하여 반대로 만든 것



출력은 AND 게이트의 출력과 정확히 반대

(22)

디지털 빌딩 블록 (계속)

 NOR 게이트



OR 게이트의 출력을 받아서 NOT을 사용하여 반대로 만든 것



출력은 OR

게이트의 출력과 정확히 반대

(23)

디지털 빌딩 블록 (계속)



XOR 게이트



Exclusive OR



입력이 서로 다르면 출력이 1

(24)

게이트 행동

 게이트의 예측

 진리표로 예측 가능

 모든 입력 집합에 대한 출력은 진리표에서 주어진 명세에 따름

 복잡한 특수 회로를

구성하기 위해 게이트를 연결

 게이트로부터 나온 출력은 또 다른 게이트를 위한 입력으로 연결

 예제: 두 개의 2-입력 AND 게이트로부터 3-입력 AND

(25)

복잡한 회로



4개의 주요 회로

 가산기, 디코더, 시프터, 플립-플롭

 기본 게이트의 조합



가산기

 기능: 두 개의 이진수를 더해서 결과를 생성

 입력: 더할 두 개의 비트 (x, y) 와 한 개의 캐리-인 (ci)

 출력: 더해진 비트 (s) 와 하나의 캐리-아웃 (co)

(26)

복잡한 회로 (계속)



디코더

 기능: 주소 할당, 입출력 장치 선택

 주어진 입력 패턴에 대해 출력 라인이 선택

 n 개의 입력을 가진 회로는 2ⁿ 줄을 제어 가능

 예제: 32 개 입력은 40억 줄을 제어가능

 두개의 입력을 가진 디코더

 네 가지의 출력이 가능

 진리표는 네 개의 진리표를 하나로 합한 것

(27)

복잡한 회로 (계속)



플립-플롭



래치 회로의 특수한 형태



기능: 비트를 잡아서 변경될 때까지 출력 상태를 유지



입력: S (set) 와 R (reset)



출력: Q 와 Q



저장 장치에 사용

CPU의 고속 메모리 SRAM, 캐시

(28)

복잡한 회로 (계속)

 시프터



용도: 곱셈과 나눗셈과 같은 수학 연산에 많이 사용



기능: 입력 만큼 왼쪽이나 오른쪽으로 비트를 이동

(29)

복잡한 회로 (계속)

 다른 회로: 멀티플렉서, 패리티 생성기, 계수기

 구성 과정 3단계



각각의 가능한 입력 배열에 대해 원하는 출력을 보여주는 진리표를 구성



이러한 진리표와 동등한 부울 대수를 생성



완성된 부울 수식을 구현하는 회로 다이어그램을 생성

(30)

복잡한 회로 (계속)

 현대적 디자인은 소프트웨어 지원의 성과

 집적회로 (IC)



모든 회로를 한 장의 반도체 소재 위에 집적



초고밀도 집적회로 (VLSI) 칩



수백만 개의 회로를 가지고 있는 칩

(31)

폰 노이만 구조



다음과 같은 특성을 가지는 다목적 기계:

 메모리로부터 이진 명령을 가져와서 순차적으로 처리한 다음 그 명령을 실행

 명령과 데이터는 모두 주기억 장치 시스템에 저장

 명령 실행은 중앙 처리 장치(CPU)에 의해 수행

 CPU 의 구성:

제어 장치 (CU)

연산 장치 (ALU)

레지스터 (소형 기억 장치).

 CPU는 외부 장치로부터 입력을 받아들일 수 있고 출력을 제공할 수 있는 능력을 가지고 있다.

(32)

그림 3-19 폰 노이만 구조

(33)

폰 노이만 구조 (계속)

 일반적인 인출-실행 사이클 :



제어 장치는 주기억 장치로부터 명령을 인출하기 위해 프로그램 계수기(counter)를 사용한다.



명령은 실행을 완료하기 위해 필요한 데이터가 무엇인지 결정하기 위해 디코드된다.



필요한 다른 데이터도 메모리로부터 인출되어 다른 레지스터에 저장된다.



ALU는 필요하다면 레지스터에 있는 데이터를 사용하여 명령을 실행한다.



명령을 수행하는데 필요한 입력 또는 출력 연산이 수행된다.

(34)

폰 노이만 구조 (계속)

 크리스탈 (시스템) 클록은 인출-실행

사이클에 있는 각각의 단계를 동기화 한다.



컴퓨터는 종종 이러한 클록 속도로 불리어 진다.



예: 펜티엄 IV, 3GHz / 매초마다 30억 개의 인출- 실행 단계를 완료하고 있다.

 클록 속도의 경향



60년 넘게 컴퓨터의 대들보 역할



클록 속도는 100MHz 근처에서 벽을 만났다.



전류의 법칙과 물리적 성질에 의한 한계

(35)

버스



버스: 데이터 전송에 필요한 전선, 규칙, 프로토콜의 집합



컴포넌트들은 시스템 버스로 연결되어 있다.



버스 전선은 다음과 같은 세 가지 신호 그룹으로 나눌 수 있다:

 제어

 주소

 데이터



오늘날 버스의 기준: PCI (Peripheral Component Interconnect)

(36)

주변 장치 버스

 SCSI: Small Computer System Interface



다양한 유형의 I/O 장치를 컴퓨터와 연결시키는데 사용



버스 마스터링은 두 장치가 서로 통신하는

동안 CPU가 다른 과제를 수행하도록 해 준다.

(37)

저장 장치

 저장 장치: 프로그램과 데이터를

저장하는데 사용되는 컴포넌트의 구성원

 저장 장치 계층



주 기억 장치



보조 기억 장치 (대량 저장 장치)

(38)

메모리

 두 가지로 구분



ROM (read-only memory)



칩에 영구적으로 새겨짐



일반적으로 수정이 불가능



BIOS (basic input/output system) 에 사용



RAM (random access memory)



메모리 직접 접근 가능



읽기, 쓰기 허용



휘발성



CPU는 RAM에서 프로그램을 인출하여 실행

(39)

메모리 (계속)

 RAM의 종류



DRAM (Dynamic RAM)

비트당 하나의 트랜지스터를 사용한 회로로 만들어짐

저장된 데이터를 유지하기 위해 계속적으로 데이터를 새롭게 하는 것이 필요

접근 시간은 10-70ns의 범위



SRAM

플립-플롭 회로를 사용하여 만들어짐

모든 메모리 유형 중에서 가장 빠르다

CPU의 레지스터나 캐시 메모리에만 사용

(40)

대용량 저장 장치

 보조 기억 장치 특성



RAM이나 ROM에 비해 훨씬 많은 저장 용량



하드 드라이브나 CD-ROM과 같은 장치를 사용



메가바이트 당 가격이 훨씬 저렴



비휘발성



RAM과 ROM에 비해 느림

(41)

대용량 저장 장치 (계속)

 하드 드라이브



대용량 저장 장치 중에서 가장 널리 사용되는 형태



자기 입자로 구성된 하나 이상의 금속 원반

트랙이라고 불리는 동심원의 집합

트랙은 섹터로 나누어짐

원반은 보통 1분에 7200 회전 정도로 빠르게 회전

판독/기록 헤드는 디스크 표면의 특정 지역에 위치

RAM에 비해 비교적 저렴



RAID (Redundant Array of Independent Discs)

(42)

그림 3-20 하드 드라이브 원반과 판독/기록 헤드

(43)

대용량 저장 장치 (계속)

 광학 저장 장치



널리 사용되는 장치: CDs (compact disks) 와 DVDs (digital video disks)



광학(빛) 기술을 사용하여 데이터를 저장



CD의 표면에 미세한 홈을 만드는 레이저를 사용



디스크의 안쪽에서부터 바깥쪽으로 연속적인 나선형을 이루며 기록



하드 디스크와 마찬가지로, CD도 회전



판독/기록 헤드는 디스크 표면의 특정 지역에 위치



저장 비용이 저렴

(44)

대용량 저장 장치 (계속)

 플래시 드라이브



USB(universal serial bus)에 꽂는 이동식 저장 장치



플로피 드라이브를 대체



비휘발성 플래시 메모리 사용



저장 비용이 저렴

(45)

입/출력 장치

 폰 노이만 구조에 있는 마지막 컴포넌트

 I/O 장치는 컴퓨터를 사용자와 연결시켜

준다

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입력 장치



키보드



대부분의 컴퓨터 시스템에서 주 입력 장치



키보드 제어 회로와 시스템 버스를 통해 CPU와 연결



키 입력은 1과 0의 이진 신호로 변환되고, CPU에 의해 문자, 숫자, 제어 코드로 해석



마우스



키보드와 함께 사용



이동을 감지하여 감지된 이동을 이진 코드로 변환



다른 장치: 트랙볼, 스타일러스, 터치패드/ 스크린

(47)

그림 3-21 주변 장치와 연결하기 위한 여러 개의 포트를 제공하는 마더보드

(48)

출력 장치

 외부 세계와 통신하는 능력

 모니터



1차적인 출력 장치



CRT (cathode ray tubes)



래스터 스캐닝 기술 사용



디스플레이의 질은 해상도와 주사율에 의해 정의



LCD (Liquid Crystal Display)



CRT 디스플레이에 비해 훨씬 얇고, 열이 덜 발생



전압이 걸리면 빛을 막는 소형 트랜지스터를 사용 디스플레이의 질은 해상도와 주사율에 의해 정의

(49)

그림 3-22 LCD와 CRT 모니터의 비교

(50)

출력 장치 (계속)

 프린터



중요한 출력 장치



주요 종류: 잉크젯과 레이저 프린터



프린터 출력의 질은 수평과 수직 방향 모두에 대한 해상도로 측정

 사운드 카드



메인 보드에 있는 PCI 버스 확장 슬롯에 장착



저장 장치에 저장할 수 있도록 사운드를

디지털화하고, 이진 사운드 파일을 읽어서 그것을 다시 아날로그 사운드로 변환