[컴퓨터개론] 3강. 컴퓨터의 구조

30 Nov 2021

컴퓨터개론

컴퓨터 개론 (3강 - 2020.03.21)

컴퓨터의 구조

컴퓨터 시스템의 기본 구조

하드웨어 : 전자회로와 그 밖의 물리적인 장치로 구성 (CPU, RAM, ROM, Main Board…)
소프트웨어 : 하드웨어를 활용할 수 있는 기본적인 프로그램과 기술
- 시스템 소프트웨어 (운영 체제) : 컴퓨터를 효율적으로 운영하여 제어하기 위한 프로그램
- 응용 소프트웨어 : 특정 분야의 업무를 처리하기 위한 어플리케이션 (한글, 파워포인트)
펌웨어 : 하드웨어를 제어하는 가장 기본적인 프로그램 (부팅시 보는 BIOS 같은 것들)

컴퓨터의 내부 구조 : 중앙처리장치를 중심으로한 자료 신호와 명령 신호를 나타냄

입력 장치 (Input unit)
중앙처리장치 (Central Processing Unit)
- 연산장치 (Arithmetic logic unit) : 프로그램 지령에 의거해 산술연산과 논리연산등을 실행
- 제어장치 (Control unit) : 각 시점에서 실행해야 할 동작을 지시, 데이터의 흐름 제어
출력장치 (Output unit)
주기억장치 (Main memory) : 프로그램과 프로그램에 필요한 데이터, 실행 결과 데이터 등을 기억 (RAM)
보조기억장치 (Auxiliary memory) : 주기억장치는 전기신호가 들어와야 저장이 가능하므로,
주기억장치가 동작하지 않을때도 데이터를 기억해야기위해 존재

Stored Program : 폰노이만에 의해 고안되었으며, 메모리에 자료와 프로그램이 함께 저장된다.

중앙처리장치(CPU)

메모리에서 필요한 자료를 이용 (양방향 교환)
저장된 명령어를 순차적(Sequential)으로 실행

CPU <=> RAM Memory Address <- HDD(SSD) (OS에 의해 관리)

메모리에서 연산장치로 이동되는 순서

메모리 (명령어) -> Fetch 입출력 버스 (I/O Bus) -> 버스 인터페이스 -> 컨트롤 유닛 -> ALU (연산장치)

명령어 (Instructioin)

연산 부분 (Operation part)

부분은 명령어가 수행해야 할 기능을 의미하는 코드

피연산 부분 (Operand part)

연산에 참여하는 자료를 의미하는 코드

명령어가 16비트로 구성될 때

15~12 Opcode (ADD)
11~0 Address (피연산자 1의 주소)

명령어 종류

명령어	구문형식	기능
ADD	ADD A	피연산자의 자료 A와 레지스터의 자료를 더하는 명령어
LDA	LDA B	피연산자의 자료 B를 레지스터에 가져오는 명령어
STA	STA C	레지스터의 내용을 피연산자 C에 저장하는 명령어
HLT	HLT	컴퓨터를 종료하는 명령어

기억장치

주기억장치

메모리라고도 하며, 작업 내용인 프로그램 명령어와 프로그램에서 이용할 자료를 저장하는 장치

주소

메모리의 저장소는 주소(Address)를 이용하여 각각 바이트 단위로 고유하게 식별
여러 레지스터들이 존재하여 저장, 삭제등을 수행한다.
자료는 주로 워드 단위로 주기억장치와 중앙처리장치 사이를 이동한다. (워드는 OS에 따라 차이가 있다.)

버스

관련 자료 전달 경로

[ 주소 (address) ]  [ 실제 메모리 ]
    00000000       [          ]
    00000004       [          ] <- 주소버스, 자료버스, 제어버스 -> 중앙처리장치나 다른 주변장치
    00000008       [          ]
...

메모리의 종류

RAM
- SRAM
- DRAM
- PSRAM
- SDRAM
- DDR RAM
ROM
- MASK ROM
- PROM
- EPROM
- EEPROM
- UVEPROM
Flash 메모리
비메모리 (CPU, GPU)

RAM

Random Access Memory, 임의 접근 메모리
전기가 휘발되면 소멸되는 소멸성 (volatile) 기억장치 (전원인가여부에 따라 휘발여부 결정)
쓰기와 읽기의 두 회로가 있어서 정보의 쓰기와 읽기가 가능
워드 작업하다가 하드에 저장안하면 날아가는게 다 RAM에서 작업되는 상태이기 때문.. (물론 과거이야기)

DRAM : 동적 RAM

전원이 연결된 상태에서 일정한 주기마다 전기적으로 재충전 필요 (변압기)
주기억장치로 주로 사용 (SDRAM)

SRAM : 정적 RAM

전원만 연결되어 있으면 정보가 지워지지 않는 기억장치
캐쉬 메모리 (Cache memory)에 주로 사용

ROM

읽기 전용 메모리, Read Only Memory
비 소멸성(nonvolatile) 메모리
읽기만 가능한 메모리
Mask ROM, PROM (Programable ROM), EPROM (Erase Programable ROM), EEPROM (Electronic Erase Programable ROM)
기계 특성 정보와 컴퓨터가 전원공급을 받아 처음 수행해야 할 바이오스(BIOS : Basic Input/Output System) 프로그램 저장에 사용

Flash 메모리

메모리 셀들의 한 부분이 섬광(flash)처럼 단 한 번의 동작으로 지워질 수 있는 메모리
RAM과 ROM의 장점을 가진 메모리
소비전력이 작은 비소멸성 메모리
정보의 입출력도 자유로워 카메라, 게임기등.. 널리 이용되는 기억장치
바이트 단위가 아닌 블록 단위의 주소 지정이 가능하며 쓰기 시간도 오래 걸림

캐시 메모리

CPU에 비해 상대적으로 주변기기의 속도가 매우 느림
주기억장치와 CPU의 속도 차이를 해결하기 위해 등장
캐시 메모리는 메인 메모리보다 대개 약 10배이상 빠르다.
저장 속도가 빠르고 고가인 SRAM을 이용

캐시의 종류

[CPU (레지스터)] <- [Level-1] 캐시 - [Level-2] 캐시 -> 주기억장치 <- 디스크 캐시 -> 디스크 저장 장치

메인 메모리 : 모든 캐시에 원하는 내용이 없을 때 접근 L1 캐시 : CPU Core와 소통하며, 가장 작고 빠르다. L2 캐시 : 상위 레벨 캐시의 내용을 모두 담고 있음 (중간 용량, 중간속 도) L3 캐시 : L2 캐시에서 쫓겨난 내용들을 담고 있음 (가장 큰 용량, 가장 느린 속도)

SSD라는 요즘에는 HDD와 메모리가 결함된 형태로 속도가 개선되어 나온 장치들도 있다. (메모리는 아님)

중앙처리장치

메모리에 저장된 프로그램과 자료를 이용하여 실제 작업을 수행하는 회로 장치
연산장치 : 자료의 연산을 수행
제어장치 : 컴퓨터의 작동을 제어
레지스터 : 연산에 필요한 자료를 임시로 저장
버스 : 자료버스, 제어버스

CPU 코어

명령어 실행에 필요한 CPU 내부의 핵심 하드웨어 (슈퍼스칼라) 모듈
각 CPU 코어는 시스템 버스와 캐쉬 공유
각 코어는 독립적으로 프로그램 실행

멀티 코어 프로세스

여러 개의 CPU 코어들을 하나의 칩에 포함시킨 프로세서
듀얼 코어 : 코어 2개, 쿼드 코어 : 코어 4개
코어가 크면 클수록 빠르지만, 열발생하고 집약하기 어려움이 있어서 비싸다.

연산장치 (Arithmetic and Logic Unit)

더하기, 빼기, 나누기, 곱하기 등의 산술연산
NOT, AND, OR, XOR 등의 논리 연산을 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
예 AC <- AC + DR

제어장치

산술 및 논리 연산에 요구되는 작업을 연속적으로 수행하는 신호를 보냄으로써
연산장치와 레지스터가 명령을 수행하게 하는 장치

레지스터

중앙처리장치 내부에서 연산에 필요한 자료를 잠시 저장하기 위한 임시 기억장소
중앙처리장치는 컴퓨터가 명령을 수행하는 과정을 처리하기 위해 여러 개의 레지스터를 가짐

레지스터 심볼	레지스터 이름	기능
DR	자료 레지스터 (Data Register)	연산에 필요한 피연산자를 저장하는 레지스터
AR	주소 레지스터 (Address Register)	현재 접근할 기억장소의 주소를 기억하는 레지스터
AC	누산 레지스터 (Accumulator Register)	연산장치의 입출력 데이터를 임시적으로 기억하는 레지스터
IR	명령어 레지스터 (Instruction Register)	현재 수행중인 명령어를 저장하고 있는 레지스터
PC	프로그램 카운터 (Program Counter)	다음에 실행할 명령어의 메모리 주소가 저장된 레지스터
TR	임시 레지스터 (Temporary Counter)	임시로 자료를 저장하는 레지스터로 범용레지스터라고도 부름

PC, 프로그램 카운터는 꼭 기억하기

기계주기

추출 -> 해독 -> 실행

추출 : 메모리에서 실행할 명령어를 추출
해독 : 명령 레지스터의 내용 해독
실행 : 명령 레지스터의 연산 실행

명령어 사이클

인출 사이클 (fetch cycle) : 주기억장치(RAM)으로부터 데이터 불러옴
실행 사이클 (execution cycle) : 읽어온 데이터 실행
간접 사이클 (indirect cycle) : 외부의 데이터를 불러오거나 하는 작업을 수행 (필요시)
간접 사이클 (interrupt cycle) : 잠시 하던일을 멈추고 다시 돌아갔다 옴

명령어 실행

[         제어장치       ]    [     산술논리연산 장치    ]

인출(주기억장치: RAM) -> 해독 -> 처리 -> 저장(주기억장치: RAM)

명령어 인출 (Instruction fetch)
명령어 해독 (Instruction decode)
데이터 인출 (Data fetch)
데이터 처리 (Data processing)
데이터 저장 (Data store)

마이크로프로세서

여러 요인으로 마이크로프로세서의 성능이 결정됨
사이클 당 연산수 (클락수) : 1초당 진동의 반복 횟수를 재는 단위 (Hz)
(클럭소도와 연산 속도는 비레한다.)
(프로세서는 하나의 명령어를 특정 수의 클럭 사이클에서 실행할 수 있기 때문임)
자료 버스의 폭 : 연산장치와 레지스터 등과 같은 CPU의 내부 구성 요소 간에 자료를 전달하는 통로의 비트 수
(자료 버스 폭은 마이크로프로세서의 워드 크기와 비례함)
(CPU 안에서 돌면 내부버스, 밖에서 돌면 외부 버스로 불림)
레지스터의 수와 크기
코어 수
캐시 메모리 크기

무어의 법칙

마이크로 칩의 처리 능력은 18개월마다 2배로 증대된다.
마이크로프로세서의 성능은 약 18~24개월마다 2배로 증가한다.

메트칼프의 법칙

통신 네트워크의 가치는 참여자(접속 시스템) 수의 제곱에 비례한다.

명령어에 따른 프로세서 분류

복합 명령어 집한 컴퓨팅 계열 (CISC) : PC (범용)
축소 명령어 집합 컴퓨팅 계열 (RISC) : Play Station (전용)

CISC

명령어의 구조가 복잡하고 100~250개의 다양한 명령어를 제공
인텔의 80x86 계열과 모토롤라의 680x0 계열의 프로세서
복잡한 연산을 하나의 명령어로 처리하려는 의도에서 시작
CISC의 명령어는 복잡한 연산을 수행하기 위해 다양한 길이를 가지며
메모리의 자료를 직접 참조하는 연산도 많이 제공
장점
- 복잡한 프로그램을 적은 수의 명령어로 구성
단점
- 복잡한 명령어의 실행을 위한 복잡한 회로가 이용되므로 생산가가 비쌈
- 전력소모가 많아 열이 많이 발생

RISC

명령어의 수가 적고 그 구조도 단순함
레지스터 내부에서 모든 연산이 수행되며 메모리의 참조는 제한적임
상대적으로 레지스터가 많음
몀령어는 고정 길이이며 쉽게 해독이 되는 명령어 형식
1988년 중반 애플의 매킨토시에 장착된 모토로라의 PowerPC에서 처음
구현된 RISC 프로세서는 이후 Sun, HP, NEC의 워크스테이션 컴퓨터
장점
- 전체적으로는 RISC 프로세서는 CISC 프로세서보다 수행속도가 빠름
- 하나의 명령어가 단순하여 그 처리속도가 매우 빠름
단점
- 하나의 프로그램을 수행하려면 RISC 프로세서는 CISC보다 많은 명령어를 실행해야 함

CISC	구분	RISC
많고 복잡한 명령어 구조	명령어 구조	적고 단순한 명령어 구조
100~250개로 명령어 수가 많음	명령어 세트의 크기	레지스터 기반의 명령어들로서 명령어 수가 적음
가변 형식: 명령어당 16~64 비트	명령어 형식	고정 형식: 32비트
복잡함: 12~24개	주소 지정 모드	간단함: 3~5개
적은 레지스터: 8~24개 정도 느린 처리 속도 높은 호환성	레지스터	많은 레지스터: 32~192개 빠른 처리 속도 낮은 호환성
제어 메모리(ROM) 사용	CPU 제어 방식	하드 와이어드(Hard-wirds) 방식 사용

명령어 파이프라이닝

CPU 프로그램 처리속도를 높이기 위해 CPU 내부 하드웨어를 여러 단계로 나누어 병행 처리하도록 하는 기술
명령어 수행과 다음 명령어 인출을 동시에 수행
2단계 명령어 파이프라인
4단계 명령어 파이프라인
6단계 명령어 파이프라인
파이프라인에 의한 속도 향상

병렬 처리 시스템

처리 능력이 뛰어난 컴퓨터 시스템의 구현 방법
고성능의 단일 프로세서를 이용하여 시스템을 구성
다수의 프로세서를 사용하여 많은 연산을 동시에 수행하는 시스템을 구성
다수의 프로세서가 동시에 정보를 처리하는 것을 병렬 처리
단일 명령어 흐름, 단일 데이터 흐름
단일 명령어 흐름, 다중 데이터 흐름
다중 명령어 흐름, 단일 데이터 흐름
다중 명령어 흐름, 다중 명령어 흐름

마이클플린의 분류법

단일 명령어 흐름, 단일 데이터 흐름

하나의 명령어로 하나의 데이터를 처리하는 구조로서, 폰 노이만 구조에 해당
단일 처리기 시스템

단일 명령어 흐름, 다중 데이터 흐름

하나의 명령어로 다수의 데이터를 처리하는 구조
다중 처리기 시스템
백터 프로세서나 배열 프로세서 시스템

다중 명령어 흐름, 단일 데이터 흐름

다수의 처리장치들이 동일한 데이터에 대해 서로 다른 연산(명령어)을 실행하는 구조
파이프라인 구조와 결함 허용 시스템

다중 명령어 흐름, 다중 명령어 흐름

독립적으로 동작하는 다수의 처리장치들이 서로 다른 데이터에 대해 상이한 명령어를 동시에 처리하는 구조
공유 메모리 시스템과 분산 메모리 시스템