제 2장 컴퓨터의 구조

1. 제 2장 컴퓨터의 구조

2. 차례 • 컴퓨터의 동작 방식 • 중앙처리 장치와 기억장치의 상호 작용 • 컴퓨터 내부의 데이터 표현 • 컴퓨터의 구성 요소 • 중앙 처리 장치, 기억 장치 • 중앙처리 장치의 구현 • 성능 향상의 기법, 중앙처리 장치의 예 • 무어의 법칙, 암달의 법칙

3. 컴퓨터의 동작 방식 • 인간과 컴퓨터의 비교 • 인간 : 눈, 귀, 코.. => 뇌 => 근육 세포 • 컴퓨터 : 키보드, 마우스 => 중앙처리 장치, 기억 장치 => 모니터, 프린터 • 컴퓨터는 정보를 ‘읽어’ 들이고, ‘가공’ 하고, ‘출력’함으로써 유용한 일을 한다 • 내부적으로 저장된 정보의 일종인 프로그램의 지시에 따라 동작한다

4. 예) 영한 번역 시스템 • 컴퓨터가 수행하는 작업 순서 • 영어 문서를 읽어 들인다 • 내부적으로 0/1의 조합으로 바뀌어 저장됨 • 프로그램의 지시에 따라 번역 작업을 수행한다 • 우리말로 번역된 문서를 따로 저장해 둔다 • 우리말로 된 문서를 외부로 출력한다 • 사람이 볼 수 있는 형태 • 컴퓨터가 다음에 다시 재사용할 수 있는 형태

5. 컴퓨터의 동작 방식 • 중앙처리 장치와 기억 장치의 상호 작용 • 중앙 처리 장치 • 컴퓨터의 모든 구성 요소를 관리하고, 프로그램을 실행시키는 역할 • 기억 장치 • 프로그램과 데이터를 저장 • 프로그램의 수행은 중앙처리 장치가 기억장치내의 프로그램/데이터를 주소를 이용하여 접근함으로써 수행

6. 컴퓨터의 동작 방식 • 주소(address) • 프로그램 또는 데이터의 기억 장치내 위치 • 읽기 : 중앙처리 장치 =>(주소) 기억 장치 => 자료 • 쓰기 : 중앙처리 장치 =>(주소&자료) 기억 장치 • 프로그램의 실행 • 중앙처리장치는 기억 장치에 저장된 명령어를 기억장치에서 순서대로 읽고, 해석하여 명령어가 지시하는 동작을 수행

7. 컴퓨터의 동작 방식 프로그램 데이터

8. 컴퓨터 내부의 데이터 표현 • 정보 표현 형식은 일종의 약속이다 • 온도(섭씨, 화씨), 작곡(악보) • 수, 문자, 기호, 그림 • 컴퓨터에서의 정보 단위 • 꺼짐(off)과 켜짐(on)의 전기적 상태를 0과 1로 간주하기로 약속함 (bit) • 8 bit = 1 byte : 28=256가지의 정보를 표현 • Kbyte(210), Mbyte(220), Gbyte(230) • 워드(word) : 컴퓨터의 데이터 처리 단위 • 32비트 컴퓨터 : 1 word = 4 byte

9. 정수의 표현 2진수로 표현됨 3 bit, 32 bit, 64 bit 정수 소수의 표현 복잡한 표현 방법 숫자의 표현 3 비트 정수 표현

10. 문자 하나를 숫자 하나에 대응시킴 예) 0100001 := ‘A’ ASCII American Standard Code for Information Interchange EBCDIC(IBM) Extended Binary Coded Decimal Interchange) 그림 2-18 문자의 표현

11. 조합형 코드 초성, 중성, 종성을 각각 5bit로 표현 완성형 코드 약 3000자의 글자를 순서대로 배열한 후 번호를 매김 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 초성 ‘ㄱ’ 중성 ‘ㅏ’ 종성 ‘ㅇ’ 영어 = 0 한글 = 1 문자의 표현 - 한글의 경우

12. 명령어의 표현 • 컴퓨터 내부에서는 명령 역시 이진수로 표현된다 • 예) A1 := A2 + A3 • Load A2, 3 : (hexadecimal) 05 02 00 03 • Load A3, 1 : 50 03 00 01 • ADD A1, A2, A3 : 70 01 02 03 • 폰 노이만 방식 • 프로그램(명령어의 집합)과 데이타를 함께 부호화해서 저장한 후 처리함

13. 1 word 1 word 명령어 형식 2진 표현 프로그램과 데이터

14. 컴퓨터의 구성 요소 • 컴퓨터 = 하드웨어 + 소프트웨어 • 하드웨어 • 전자 회로 및 기계 장치 • 중앙처리장치, 주/보조 기억 장치, 입출력 장치 • 버스 (BUS) • 각 구성 요소들을 연결하는 데이터의 통로 • 소프트웨어 • 하드웨어를 제어하여 작업을 수행하는 프로그램 • 명령문과 데이터로 구성 • 사람이 이해하기 쉬운 고급 언어로 작성 • C, BASIC, Pascal • 컴파일러에 의해서 기계어로 번역

15. 중앙 처리 장치 • CPU의 구성 • 산술, 논리 연산 장치 (Arithmetic/Logic Unit, ALU) • 산술 연산 : 덧셈, 뺄셈... • 논리 연산 : AND, OR, NOT... • 제어 장치 (Control Unit) • 프로그램에 따라 명령과 제어 신호를 생성 • 임시 기억 장소 (Register) • 계산 결과를 일시적으로 저장해 둔다 • 보통 30개 정도를 번호를 붙여 사용

16. 중앙 처리 장치 • ADD R2 R3 R5 • 00010100 0010 0011 0101 • 레지스터 3번과 레지스터 5번의 값을 읽어서 더한 후, 레지스터 2번에 그 결과를 저장하라.

17. 주기억장치의 기계어 코드 주변장치 제어장치(CU) 중앙처리장치 레지스터 R1 제어신호 R2 ADD R2, R3, R5 R3 ADD R4 R5 R6 산술논리연산장치(ALU) 그림2.7 중앙처리장치의 작동 R7 데이터값

18. 데이터 읽기 명령 읽기 명령 해독 계산 수행 결과 저장 중앙 처리 장치 • 클럭 (Clock) • 컴퓨터가 벽시계라면 시계추의 진동에 해당 • 중앙 처리 장치가 작업을 수행하는 단위 • 같은 종류의 CPU라면 초당 클럭 수가 많을 수록 속도가 빨라짐 • 예)

19. 주 기억 장치 • 정보를 저장해 두었다가 필요할 때 읽어 들이는 저장소로 이용됨 • 명령어(프로그램)와 데이터를 저장 • 주소(address)를 통해 자료의 위치를 지정 • 8 / 16 / 32 / 64 비트 단위로 읽고 씀 • 워드(word)라 불린다 • 읽기/쓰기/연산 단위인 워드의 길이에 따라 성능이 달라짐 • 접근 시간(Access time) • 읽고 쓰는데 걸리는 시간

20. Load R1, 500 Load R2, 501 Add R3, R1, R2 Store R3, 1000 10 20 . . . . . . . . . . . . . . . . ? 주 기억 장치 (Memory Unit) 500 501 1000 2000

21. 주 기억 장치의 종류 • RAM (Random Access Memory) • 지정한 주소를 바로 읽고 쓸 수 있다 • 전원이 끊어지면 내용이 지워진다 • 보조 저장 장치가 반드시 필요함 • DRAM (Dynamic RAM) • 충전된 전하를 정기적으로 재충전해 주어야 함 • SRAM (Static RAM) • 재충전 필요 없음, 빠른 속도, 전력 소모가 적다 • 비싸다, Cache 메모리에 사용

22. 주기억 장치의 종류 • ROM (Read Only Memory) • 주로 읽을 수만 있는 장치 • 전원이 끊겨도 내용이 보존됨 • firmware를 저장해 두는 용도로 이용됨 • 예) 부트스트랩 프로그램의 저장 • PROM(Programmable ROM) • 한번 프로그램 가능 • EPROM(Erasable PROM) • 내용 변경 가능 • 정기적으로 변경할 필요가 있는 프로그램 저장시 사용

23. 그림 2-8 매우 빠르고 비싼 칩을 이용 자주 사용되는 내용을 일시적으로 저장 메모리 참조의 지역성(locality)을 이용함 현대의 RISC칩에서 캐시를 사용하지 않는 경우 약 95%의 성능저하 레지스터 Cache memory 주기억장치 보조 기억 장치 캐시 메모리 (Cache Memory) 가격 저렴 속도가 빠르고 용량이 작다

24. 보조 기억 장치 • 보조 기억 장치의 필요성 • 주 기억 장치 용량의 한계 • 휘발성 기억 장치의 한계 • 가격에 비해 대용량 • 주 기억 장치보다도 1000배 이상 느림 • CPU에 비해 ~106 배 가량느림

25. 원반 표면의 철 입자의 방향 (N/S)으로 0/1을 표현 플로피 디스크 (Floppy Disk) 5.25 / 3.5 인치 크기의 플라스틱 원반 하드 디스크 여러 개의 금속 원반과 암, 헤드로 구성됨 FDD 보다 10 ~ 10,000배 기억 용량 20 배 정도 빠름 자기 디스크

26. 기타 보조 기억 장치 • 광자기 디스크 (Magneto-Optical Disk) • 레이저 빔이 닿은 부분만 철 입자가 움직이게 되어 저장 밀도를 높임 • 원칙적으로 자기 디스크임 • CD-ROM • 레이저 빔의 반사/분산을 이용해서 0/1을 표현 • 읽기만 가능, 쓰기 불능(but, CD-ROM Writer) • 종이 150,000 쪽, 멀티미디어 데이터 수록 • 속도가 HDD보다 느리고, 다시 기록 불능

27. 기타 보조 기억 장치 • 자기 테이프 • 순차적인 읽기/쓰기만 가능 • DAT • 테입과 유사하나 트랙을 비스듬히 저장하여 밀도를 높임 • 플래시 메모리 • 전원이 없이도 보존되며, 여러 번 지우고 다시 쓸 수 있다 트랙 (Track) 010111011101000101101...

28. 동심원 모양으로 저장 항각 속도 방식 안쪽과 바깥쪽 섹터의 용량이 같게 안쪽 트랙의 밀도에 의해 용량이 결정됨 나선형으로 저장 항선 속도 방식 검색 속도가 느림 참고) 하드 디스크와 CDROM의 차이

29. 순차 접근 방식 대부분의 테입에 해당 어떤 위치의 데이터를 읽거나 쓰기 위해서는 처음부터 차례로 읽어 나가야 함 한꺼번에 많은 양을 순서대로 읽고 쓰는 작업에 적합함 임의 접근 방식 RAM/ROM, 하드디스크, 플로피 원하는 데이터를 처음부터 읽지 않고 바로 찾아 가는 방식 비교적 비싼 편 참고) 데이터 접근 방식에 따른 분류

30. 입출력 장치 • 입력 장치 • 인간의 정보를 컴퓨터가 이해할 수 있게 변환 • 키보드, 마우스, 트랙볼, 펜, 조이스틱.. • 스캐너, 디지털 카메라 • 출력 장치의 예 • 컴퓨터 내부의 정보를 인간이 이해할 수 있는 형태로 변환 • 프린터, 디스플레이, 스피커...

31. 입출력 장치 • 인터페이스 카드 • 주변 장치를 본체와 연결할 수 있게 해 준다 • 주변 장치를 제어 감독한다 • 중앙 처리 장치는 입출력 장치를 직접 제어하지 않는다 • 속도의 차이가 매우 크기 때문

32. 데이터의 통로 역할을 함 칩 내부의 연결 통로 칩 외부의 연결 통로 버스의 폭*)은 ALU, Register의 워드 단위와 일치함 *) 동시에 보낼 수 있는 비트 수 외부 버스의 구성 예 버스 (BUS) CPU MEM I/O CPU MEM I/O

33. 중앙처리 장치의 구현 • 성능 향상의 기법 • RISC vs. CISC • Pipelining • Superscalar vs. VLIW • MMX 기술 • CPU 예 : Intel • 무어의 법칙, 암달의 법칙

34. CISC Complex Instruction Set Computer 복잡한 내부 명령어를 많이 가짐 명령어 형식이 메모리를 참조하는 방식에 따라 다양하게 존재함 명령어의 복잡함으로 인하여 속도 향상에 한계가 있음 RISC Reduced Instruction Set Computer 필수적인 명령어만 제공함(CISC의 30%) 메모리 참조는 LOAD/STORE 만으로 한정 Pipeline을 통해 속도 향상을 꾀함 성능 향상의 기법

35. CISC방식의 속도 한계를 극복 Pipeline, Cache등의 기술을 저가로 실현 주로 워크스테이션 이상급에서 사용됨 대표적인 RISC 칩 SuperSPARC, UltraSPARC(Sun Micro Systems) R3000, R4000... R10000 (MIPS) Alpha (DEC) Power (IBM) PA-RISC (HP) RISC 칩들

36. Pipeline의 원리 • 명령어를 몇 개의 수행 단계로 나누어서 각 단계를 하나의 클럭 사이클에 수행 • 명령어의 수행 단계들을 동시에 처리 • 일종의 병렬처리 • 명령어의 수행 시간이 균등할수록 효과적임 • 한 명령어 수행 시간은 일정하나 처리율(throughput)은 향상

37. IF IF IF IF IF ID ID ID ID ID EX EX EX EX EX M M M M M WB WB WB WB WB 5 단계 pipeline • 1 단계 : Instruction Fetch • 2 단계 : Instruction Decode • 3 단계 : Execution • 4 단계 : Memory access • 5 단계 : Write Back 최대 다섯 개의 명령어가 동시에 수행된다

38. Superscalar vs. VLIW • 여러 명령어를 동시에 fetch/decode/execute 할 수 있는 마이크로 프로세서 • 의존성 해결 방법에 따라 • 의존성 : A B • Superscalar : 마이크로 프로세서 • VLIW : 컴파일러 • 여러 명령어를 합쳐서 동시에 실행 가능한 하나의 큰 명령어를 생성

39. MMX Technology • 이미지/사운드/동영상 등의 멀티미디어 자료 처리 • Intel : MMX(MultiMedia eXtension), 1996.4 • SIMD(Single Instruction Multiple Data) • 작은 크기(8 bit pixel or 16 bit audio data)의 자료를 하나의 명령어가 반복 처리 • 8 bit pixel : 64 bit register -> 4s’ 16 bit word or 8s’ 8 bit byte 로 나누어 연산 수행

40. 인텔 칩의 역사 • 단일 칩에 중앙 처리 장치를 집적 • IBM PC에 도입되어 크게 양산됨 • 8086 (1978), 80286(16 bit), 80386(32 bit) • 초기의 8086과 호환성을 유지하면서 성능을 향상시킨 것이 계속적인 성공의 열쇠 • 80486과 80386의 차이 • RICS 구조 • 부동 소수점 연산 보조 프로세서 • 케쉬 메모리 : 8 KB SRAM on-chip cache

41. 인텔 칩의 역사 • Pentium(1993) • data bus:64 bit,16KB cache(data(8)+command(8)) • Pentium II(1997) : PentiumPro + MMX • PentiumPro : 서버용 컴퓨터에 주로 장착 • Pentium III : 현재

42. 무어의 법칙 • 컴퓨팅 파워가 기하급수적으로 증가 • 프로세서의 트랜지스터 개수 : 2배/(18~24월) • 성능의 향상과 함께 가격 하락 • VAX11/780(1977):20,000$=>Dimension(1987):2,757$ • 중앙처리장치와 기억 장치 발전 비교 • CPU : 2배/3년, 주기억 장치 : 2배/10년 • 그림 2.13 : 시간이 갈수록 성능차이 심화 • 전체 컴퓨터 시스템의 성능 향상에 장애

43. 인텔 칩의 발전

44. 인텔 칩의 발전

45. 암달의 법칙 • 전체 시스템의 속도는 특정 시스템이 차지하는 비율에 비례하여 향상 • 메모리 속도가 느리면 CPU가 향상되도 시스템 전체의 성능이 크게 향상되지 않음. • CPU:50 %, 2배 향상=>전체 시스템이 25%향상 • 0.5 *1/2 = 0.25(25%) • CPU 가 차지하는 비율은 25/(100-25) = 33% • 2배 향상 => 전체 시스템은 16.5%향상(0.33*1/2=0.165)