Computer Architecture CHAPTER 컴퓨터시스템개요
제 1 장 컴퓨터시스템개요 1.1 컴퓨터의기본구조 1.2 정보의표현과저장 1.3 시스템의구성 1.4 컴퓨터구조의발전과정
1.1 컴퓨터의기본구조 컴퓨터시스템의구성 응용소프트웨어 (application software) 시스템소프트웨어 (system software) 하드웨어 (hardware) 3
하드웨어와소프트웨어 하드웨어 (hardware) 컴퓨터정보들의전송통로를제공해주고, 그정보에대한처리가실제일어나게해주는물리적인실체들 소프트웨어 (software) 정보들이이동하는방향과정보처리의종류를지정해주고, 그러한동작들이일어나는시간을지정해주는명령 (command) 들의집합 시스템소프트웨어 (system software) : OS(WinXP, Unix, Linux 등 ) 응용소프트웨어 (application software) : 워드프로세서, 웹브라우저, MS-Excel 등 4
컴퓨터하드웨어의주요요소들 5
컴퓨터의기본구조 컴퓨터의기능 : 프로그램코드를정해진순서대로수행 데이터를읽어서 (read), 처리 (processing) 하고, 저장 (store) 한다 기본구성요소들 : 중앙처리장치, 기억장치, 입출력장치 6
컴퓨터의기본적인구성요소들 중앙처리장치 (Central Processing Unit: CPU) 프로세서 (processor) ' 프로그램실행 ' 과 ' 데이터처리 ' 라는중추적인기능의수행을담당하는요소 기억장치 (1) 주기억장치 (main memory) CPU 가까이위치하며, 반도체기억장치칩들로구성 고속액세스 가격이높고면적을많이차지 저장용량의한계 영구저장능력이없기때문에, 일시적저장장치로만사용 7
컴퓨터의기본적인구성요소들 ( 계속 ) (2) 보조저장장치 (auxiliary storage device) 2 차기억장치 (secondary memory) 저장밀도가높고, 비트당가격이낮음 읽기 / 쓰기속도가느림 영구저장능력을가진저장장치 : 하드디스크 (hard disk), 플래시메모리 (flash memory), CD-ROM, 등 입출력장치 (I/O device) 사용자와컴퓨터간의대화를위한입력및출력장치 유무선통신네트워크인터페이스장치 8
1.2 정보의표현과저장 컴퓨터정보 : 2 진수비트들로표현된프로그램코드와데이터 프로그램코드 기계어 (machine language) 기계코드 (machine code) 라고도함 컴퓨터하드웨어부품들이이해할수있는언어로서, 2 진비트들로구성 어셈블리언어 (assembly language) 고급언어와기계어사이의중간언어 어셈블러 (assembler) 로번역시, 기계어와일대일대응 고급언어 (high-level language) 영문자와숫자로구성되어사람이이해하기쉬운언어 C, C++, PASCAL, FORTRAN, COBOL 등 컴파일러 (compiler) 를이용하여기계어로변역 9
프로그램언어의변환과정 [ 예 ] Z = X + Y LOAD A, X : 기억장치 X 번지의내용을읽어서, 레지스터 A 에적재 (load) ADD A, Y : 기억장치 Y 번지내용을읽어서, 레지스터 A 에적재된값과더하고, 결과를다시 A 에적재 STOR Z, A : 그값을기억장치 Z 번지에저장 (store) 10
프로그램언어번역소프트웨어 컴파일러 (compiler) 고급언어프로그램을기계어프로그램으로번역하는소프트웨어 어셈블러 (assembler) 어셈블리프로그램을기계어프로그램으로번역하는소프트웨어 니모닉스 (mnemonics) 어셈블리명령어가지정하는연산을가리키는알파벳기호 LOAD, ADD, STOR 등 11
기계명령어의형식 [ 예 ] 연산코드 (op code) CPU 가수행할연산을지정해주는비트들 비트수 = 3 이라면, 지정될수있는연산의최대수 : 2 3 = 8 개 오퍼랜드 (operand) 연산에사용될데이터혹은그것이저장되어있는기억장치주소 (memory address) 비트수 = 5 라면, 주소지정 (addressing) 할수있는기억장소의최대수 : 2 5 = 32 개 12
프로그램코드와데이터의기억장치저장 프로그램코드 ( 명령어 ) 와데이터는지정된기억장소에저장 단어 (word) 단위로저장 단어 : 각기억장소에저장되는정보의기본단위로서, CPU 에의해한번에처리될수있는비트들의그룹 단어길이의예 : 8 비트, 32 비트, 64 비트, 128 비트 주소지정단위 : 단어단위혹은바이트단위 13
1.3 시스템의구성 1.3.1 CPU 와기억장치의접속 시스템버스 (system bus) CPU와시스템내의다른요소들사이에정보를교환하는통로 기본구성 주소버스 (address bus) 데이터버스 (data bus) 제어버스 (control bus) 14
시스템버스 주소버스 (address bus) CPU 가외부로발생하는주소정보를전송하는신호선들의집합 주소선의수는 CPU 와접속될수있는최대기억장치용량을결정 [ 예 ] 주소버스의비트수 = 16 비트라면, 최대 2 16 = 64K 개의기억장소들의주소지정가능 데이터버스 (data bus) CPU 가기억장치혹은 I/O 장치와의사이에데이터를전송하기위한신호선들의집합 데이터선의수는 CPU 가한번에전송할수있는비트수를결정 [ 예 ] 데이터버스폭 = 32 비트라면, CPU 와기억장치간의데이터전송은한번에 32 비트씩가능 15
시스템버스 ( 계속 ) 제어버스 (control bus) CPU 가시스템내의각종요소들의동작을제어하기위한신호선들의집합 [ 예 ] 기억장치읽기 / 쓰기 (Memory Read/Write) 신호 I/O 읽기 / 쓰기 (I/O Read/Write) 신호 인터럽트 (Interrupt) 신호 버스제어 (Bus Control) 신호 16
CPU 와시스템버스간의접속 주소버스 : 단방향성 (unidirectional) 주소는 CPU로부터기억장치혹은 I/O 장치들로보내지는정보 데이터버스, 제어버스 : 양방향성 (bidirectional) 읽기와쓰기동작을모두지원 17
CPU 와기억장치간의접속 필요한버스및제어신호 주소버스 데이터버스 제어신호 : 기억장치읽기 (memory read) 신호, 기억장치쓰기 (memory write) 신호 18
CPU 와기억장치간의접속 ( 계속 ) 기억장치쓰기동작 : CPU 가데이터를저장할기억장소의주소와저장할데이터를각각주소버스와데이터버스를통하여보내는동시에, 쓰기신호를활성화 기억장치쓰기시간 (memory write time) : CPU 가주소와데이터를보낸순간부터저장이완료될때까지의시간 19
CPU 와기억장치의접속 ( 계속 ) 기억장치읽기동작 CPU 가기억장치주소를주소버스를통하여보내는동시에, 읽기신호를활성화 일정지연시간이경과한후에기억장치로부터읽혀진데이터가데이터버스상에실리고, CPU 는그데이터를버스인터페이스회로를통하여읽음 기억장치읽기시간 (memory read time) : 주소를발생한시간부터기억장치의데이터가 CPU 에도착할때까지의시간 20
기억장치액세스 ( 읽기 / 쓰기 ) 동작의시간흐름도 21
1.3.2 CPU 와 I/O 장치의접속 필요한버스및제어신호 주소버스 데이터버스 제어신호 : I/O 읽기신호, I/O 쓰기신호 접속경로 : CPU - 시스템버스 I/O 장치제어기 I/O 장치 22
I/O 장치접속사례 : CPU 키보드 & 프린터 23
I/O 장치제어기 (I/O device controller) 기능 : CPU 로부터 I/O 명령을받아서, 해당 I/O 장치를제어하고, 데이터를이동함으로써명령을수행하는전자회로장치 ( 예 : 키보드제어기, 프린터제어기, 등 ) 상태레지스터 I/O 장치의현재상태를나타내는비트들을저장한레지스터 준비상태 (RDY) 비트, 데이터전송확인 (ACK) 비트, 등 데이터레지스터 CPU 와 I/O 장치간에이동되는데이터를일시적으로저장하는레지스터 24
키보드의데이터입력과정 키보드제어기 : 키보드의어떤한키 (key) 를누르면, 그키에대응되는 ASCII 코드가키보드제어기의데이터레지스터에저장되고, 동시에상태레지스터의 In_RDY 비트가 1 로세트 CPU : 1 키보드제어기로부터상태레지스터의내용을읽어서 In_RDY 비트가세트되었는지검사 (In_RDY 비트는데이터레지스터에외부로부터데이터가적재되었는지를표시 ) 2 만약세트되지않았으면, 1 번을반복하며대기. 만약세트되었다면, 데이터레지스터의내용을읽음 25
프린터의데이터출력과정 CPU : 1 프린터제어기의상태레지스터의내용을읽어서 Out_RDY 비트검사 (Out_RDY 비트 : 프린터가출력할준비가되었는지를표시 ) 2 만약세트되지않았으면, 1 번을반복하며대기만약세트되었다면, 프린트할데이터를프린터제어기의데이터레지스터에저장 프린터제어기 : 1 데이터레지스터의내용을프린터로보내고, 2 프린터의하드웨어를제어하면서인쇄동작수행 26
CPU 와보조저장장치의접속 보조저장장치들 ( 디스크, 플래시메모리, CD-ROM 등 ) 도각장치를위한제어기를통하여키보드나프린터와유사한방법으로접속 차이점 : 데이터전송단위 키보드 : 바이트단위전송 보조저장장치 : 블록 (512/1024/4096 바이트 ) 단위로전송 제어기내에한블록이상을임시저장할수있는데이터버퍼필요 프린터 : 병렬데이터전송을이용하여 16 혹은 32 비트단위로전송하며, 프린터내부에데이터버퍼를포함하기도함 27
1.3.3 컴퓨터시스템의전체구성 28
컴퓨터의기본적인기능들 프로그램실행 : CPU 가주기억장치로부터프로그램코드를읽어서실행 데이터저장 : 프로그램실행결과로서얻어진데이터를주기억장치에저장 데이터이동 : 디스크혹은 CD-ROM 에저장되어있는프로그램과데이터블록을기억장치로이동 데이터입력 / 출력 : 사용자가키보드를통하여보내는명령이나데이터를읽어들인다. 또한 CPU 가처리한결과값이나기억장치의내용을프린터 ( 혹은모니터 ) 로출력 제어 : 프로그램이순서대로실행되도록또는필요에따라실행순서를변경하도록조정하며, 각종제어신호들을발생 29
1.4 컴퓨터구조의발전과정 주요부품들의발전과정 릴레이 (relay) 진공관 트랜지스터 반도체집적회로 (IC) 발전과정에서개선된특성들 : 처리속도향상 저장용량증가 크기감소 가격하락 신뢰도향상 초기컴퓨터들의근본적인설계개념과동작원리가현대의컴퓨터들과거의같음 30
최초의컴퓨터 1642 년, Blaise Pascal( 프랑스 ) 덧셈과뺄셈을수행하는기계적카운터 다이얼의위치에의하여십진수를표시하는 6 개의원형판세트들로구성 각원형판은일시적으로숫자를기억하는레지스터로사용 31
Leibniz 의기계 1671 년, Gottfried Leibniz( 독일 ) 덧셈과뺄셈및곱셈과나눗셈도할수있는계산기 Pascal 의계산기에두개의원형판들을추가하여반복적방법으로곱셈과나눗셈을수행 이후많은계산기계들의조상이됨 32
Difference Engine 19 세기초, Charles Babbage( 영국, 현대컴퓨터의할아버지 ) 표에있는수들을자동적으로계산하고, 그결과를금속천공기를거쳐서프린트 덧셈과뺄셈만수행가능 33
Analytical Engine 19 세기초, Charles Babbage( 영국 ) 주요특징들 어떤수학연산도자동적으로수행할수있는일반목적용계산기계 프로그래밍가능 : 프로그램언어사용 프로그램의실행순서변경가능 문제점 수의부호검사를이용한조건분기 제어카드를이용한실행순서변경 주요부품들이기계적장치라속도가느리고신뢰도가낮았음 34
Analytical Engine 의기본구조 산술연산장치 : MILL 기억장치 : STORE 입력장치 : 카드판독기 출력장치 : 카드천공기, 프린터 35
ENIAC Electronic Numerical Integrator And Computer 1940 년대초, von Neumann( 폰노이만 ) 이개발 펜실바니아대학에서개발한진공관을사용한최초의전자식컴퓨터 문제점 : 프로그램의저장및변경불가능 폰노이만의설계개념 (stored-program 원리 ) 발표 프로그램과데이터를내부에저장 2 진수체계 (binary number system) 사용 1945 년발표후, EDVAC(Electronic Discrete Variable Computer) 개발에실제적용 36
IAS 컴퓨터 1946 년 ~1952 년 : 폰노이만이 IAS 에서개발 폰노이만 : 프린스턴대학및 IAS(Institute for Advanced Studies) 의수학교수 프로그램저장과변경이가능한최초의디지털컴퓨터 주요구성요소 프로그램제어유니트 (Program Control Unit) : 명령어인출 / 해독 산술논리연산장치 (ALU) 주기억장치 : 명령어와데이터를모두저장 입출력장치 37
IAS 컴퓨터의구조 폰노이만아키텍처 (von Neumann Architecture): 프로그램코드들을기억장치에저장된순서대로실행하며, 그주소는 CPU의내부레지스터인프로그램카운터 (program counter) 에의해지정됨 38
1.4.2 주요컴퓨터부품들의발전경위 트랜지스터 (transistor) 초기 ( 제 1 세대 ) 전자식컴퓨터의핵심부품인진공관을대체한전자부품 진공관보다작고싸며더적은열을발산 반도체재료인실리콘 (Si) 으로만들어진고체 (solid-state) 장치 제 2 세대컴퓨터들의핵심부품 초기컴퓨터들은약 1000 개의트랜지스터들로구성 집적회로 (Integrated Circuit: IC) 수만개이상의트랜지스터들을하나의반도체칩에집적시킨전자부품 제 3 세대컴퓨터들의핵심부품 39
IC 의제조과정 40
집적도에따른 IC 의분류 SSI(Small Scale IC) 수십개의트랜지스터들이집적되는소규모 IC 최근에는주로기본적인디지털게이트 (digital gate) 들을포함하는칩으로만사용됨 MSI(Medium Scale IC) 수백개의트랜지스터들이집적되는 IC 카운터 (counter), 해독기 (decoder) 또는시프트레지스터 (shift register) 와같은조합회로나순차회로를포함하는칩 LSI(Large Scale IC) 수천개의트랜지스터들이집적되는대규모 IC 8- 비트마이크로프로세서칩이나소규모반도체기억장치칩 41
집적도에따른 IC 의분류 ( 계속 ) VLSI(Very Large Scale IC) 수만내지수십만개이상의트랜지스터들이집적되는초대규모 IC 제4세대컴퓨터들의부품 마이크로프로세서칩들과대용량반도체기억장치칩 ULSI(Ultra Large Scale IC) 수백만개이상의트랜지스터들이집적되는 32- 비트급이상마이크로프로세서칩들과수백메가비트이상의반도체기억장치칩들및앞으로출현할고밀도반도체칩들을지칭하기위한용어로서, VVLSI(VeryVery Large Scale IC) 라고도불림 42
IC 사용에따른이점 전기적통로가짧아짐 동작속도가크게상승 컴퓨터크기의감소 칩내부의회로들간의상호연결 부품들의신뢰도향상 전력소모감소및냉각장치의소형화 컴퓨터가격하락 VLSI의출현으로개인용컴퓨터 (PC) 가개발됨 43
1.4.3 컴퓨터시스템의분류와발전동향 1) 개인용컴퓨터 (PC) 특징 소형, 저가 성능 : 십여년전의대형메인프레임컴퓨터의성능을능가 주요발전동향 매 2 ~ 3 년마다성능이개선된새로운마이크로프로세서가등장하고, 그에따라새로운 PC 모델출현 주변요소들 ( 캐시, MMU, 산술보조프로세서등 ) 이 CPU 칩에내장됨에따라속도및신뢰도가향상 CPU 구조가다수의 ALU 들혹은명령어실행유니트들을포함하는슈퍼스칼라 (superscalar) 구조, 듀얼 - 코어및쿼드 - 코어구조로발전 44
개인용컴퓨터 ( 계속 ) 문자이외의다양한정보들에대한입력과출력, 저장및처리능력을보유하게됨에따라멀티미디어 PC 로발전 보다더편리한사용자인터페이스를제공해주는시스템소프트웨어들출현 (Windows, Mac OS, 등 ) 고속 I/O 장치들의인터페이스를위한새로운버스규격제안 주기억장치와보조저장장치의용량이크게증가, 종류다양화 초고속이동통신및전화기능등을포함한복합형기기로발전 유형 데스크탑 (desktop) PC, 노트북 (notebook) PC, 넷북 (netbook) PC, 태블릿 (tablet) PC, 포켓 (pocket) PC, 등 45
2) 임베디드컴퓨터 Embedded Computer ( 내장컴퓨터라고도함 ) 기계장치나전자장치들의내부에포함되어, 그장치들의동작을제어 (control) 하는컴퓨터들 [ 예 ] 가전제품, 컴퓨터주변기기, 이동전화기, 비디오게임기등 8- 비트마이크로컨트롤러 (micro-controller) 를이용한초소형부터 32- 비트컴퓨터에이르기까지다양 최소의비용으로, 필요한만큼의성능제공 실시간처리 (real-time processing) 유비쿼터스컴퓨팅설비의중심요소로도사용될전망 46
3) 중형급컴퓨터시스템 워크스테이션 (workstation) CPU : 64- 비트마이크로프로세서사용 고속그래픽처리하드웨어포함 주요응용 : 3 차원동영상처리, 시뮬레이션, 컴퓨터이용설계 (CAD), 등 OS : UNIX, LINUX 슈퍼미니컴퓨터 (Super-minicomputer) 시스템구조 : 다중프로세서 (multiprocessor) 구조 CPU 의수 : 20 ~ 30 개 성능 : VAX-11 미니컴퓨터성능의수십배이상 OS : UNIX 서버 (server) 급시스템의다운사이징 (downsizing) 주도 네트워크에접속된다수의중형급컴퓨터시스템들을응용 ( 혹은용도 ) 별로구분하여사용하는컴퓨팅환경이가능해지게함 47
다중프로세서시스템의구조 48
4) 메인프레임컴퓨터 (mainframe computer) 중앙집중식컴퓨팅을위한대형컴퓨터 IBM 360 및 370 계열, 3081, 3090 등으로계속발전하였으며, 최근시스템보안및통신기능이대폭보강된 IBM zenterprise 계열출현 대용량저장장치보유 다중 I/O 채널을이용한고속 I/O 처리능력보유 대규모데이터베이스저장및관리용으로사용 최근성능과가격면에서슈퍼미니급컴퓨터들과경쟁하고있으며, 점차적으로시장점유율하락 49
4) 슈퍼컴퓨터 (supercomputer) 현존하는컴퓨터들중에서처리속도와기억장치용량이다른컴퓨터들에비하여상대적으로월등한컴퓨터시스템들 분류기준 : 계속적으로상승 최초의슈퍼컴퓨터인 CRAY-1 의속도는 100 MFLOPS 최근의슈퍼컴퓨터들의속도는수백 TFLOPS 이상 주요응용분야들 VLSI 회로설계, 항공우주공학, 천문학 ( 일기예보 ), 구조공학, 유전탐사, 핵공학, 인공지능, 입체영상처리등과같은대규모과학계산및시뮬레이션 50
구조적특징에따른슈퍼컴퓨터의분류 파이프라인슈퍼컴퓨터 (pipeline supercomputer) 초기의슈퍼컴퓨터구조 복잡한초고속연산회로들이포함된, 적은수의 CPU 들로구성 연산장치 : 슈퍼파이프라인구조를이용하여고속벡터계산수행 대표적인시스템들 : CRAY Y-MP, CRAY-2, Fujitsu VP2000, VPP500 등 51
구조적특징에따른슈퍼컴퓨터의분류 ( 계속 ) 대규모병렬컴퓨터 (massively parallel computer: MPP) 상호연결된수백혹은수천개이상의범용프로세서들로구성 프로세서들이하나의큰작업을분담하여동시에처리하는병렬처리 (parallel processing) 기술이용 시스템사례 : IBM BlueGene/Q 슈퍼컴퓨터 2013 년 TOP500 리스트 (www.top500.org) 최상위랭크 1,572,864 개의 64- 비트 PowerPC 프로세서들탑재 96 캐비닛 x 512 노드 x 32 프로세서 1.57 PByte 기억장치보유 52
IBM BlueGene/Q 슈퍼컴퓨터의구성도 53
슈퍼컴퓨터 ( 계속 ): 구조적특징에따른분류 클러스터컴퓨터 (Cluster Computer) 고속 LAN 이나네트워크스위치에의해서로연결된 PC 들혹은워크스테이션들의집합체 노드 ( 단위컴퓨터 ) 들에포함된모든자원들을단일시스템이미지 (Single System Image: SSI) 로통합 시스템사례 : NOW(Network of Workstations) U.C. 버클리대학전산학과에서개발 105 개의워크스테이션들로구성 제 8 장에서자세히설명 54
NOW(Network of Workstations) 의구성도 55