Chapter 3 컴퓨터구조
하드웨어연결그림 본체 메인보드 입력장치 CPU RAM PS2 랜카드 키보드마우스 ALU 캐쉬메모리 레지스터 시리얼포트패러렐포트 PCI 사운드카드 스캐너마이크웹캠 DMA BIOS EIDE 버스 SATA PCI express AGP USB 그래픽카드 GPU HDMI 출력장치 스피커 헤드폰 파워서플라이 모니터 FDD HDD ODD SSD 프린터
Contents 1 컴퓨터구조 2 기계어 3 프로그램실행 4 연산명령 5 다른장치와의통신 6 기타구조
2 기계어 1. 기계명령 : CPU가인식할수있도록비트패턴으로인코딩된명령 2. 기계어 (machine language): 기계가인식할수있는모든명령의집합 3. 컴퓨터가처리할수있는데이터는 2진수일뿐임즉메모리에저장된내용은단순한비트열임가령 ) 00011101 : 컴퓨터하드웨어의상황에따라다양하게해석됨 ( 명령어? 데이터? 숫자? 등 )
2 기계어철학의양대축 1. RISC(Reduced Instruction Set Computing) A. 단순하고, 빠르고, 효율적인소수의명령 B. 복잡한처리는모두소프트웨어를이용 C. 예 : Apple/IBM/Motorola의 PowerPC 2. CISC(Complex Instruction Set Computing) A. 편리하고강력한다수의명령 B. 여러개의명령을하나의명령으로처리 C. 예 : Intel의 Pentium
2.1 기계어 : 명령의종류 1. 데이터전송 (data transfer): 한장소에서다른장소로데이터를복사한다 (load, store) 2. 연산 (arithmetic/logic): 기존의비트패턴을사용하여새로운비 트패턴을계산한다 (add, and, not) 3. 제어 (control): 프로그램실행을지시한다 (jmp, jsr)
2.1 기계어 : 명령의종류 1. 명령어형식의종류 2. 연산코드 : 명령 3. 오퍼랜드 : 명령수행에필요한데이터
2.2 가상컴퓨터시스템가정 1. 레지스터 : 연산을위한값을가지고있는소규모기억장치 2. 명령레지스터 : 현재수행할명령을보관 3. 프로그램카운터 : 다음실행할명령의주소를보관 중앙처리장치 주기억장치
2.2 주기억장치에저장된값들에대한덧셈과정예 단계 1. 덧셈에사용될값중의하나를주기억장치에서가져와레지스터에넣는다. 단계 2. 덧셈에사용될또다른값을주기억장치에서가져와또다른레지스터에넣는다. 단계 3. 단계 1, 2에서사용된레지스터들을입력으로사용하고결과는또다른레지스터에저장하도록덧셈회로를작동시킨다. 단계 4. 결과를주기억장치에저장한다. 단계 5. 멈춘다.
2.2 메모리에저장된값들에대한나눗셈과정예 단계 1. 메모리에서값하나를받아와서레지스터에 LOAD하라. 단계 2. 메모리에서또다른값하나를받아와서또다른레지스터에 LOAD하라. 단계 3. 두번째값이 0일경우, 단계 6으로점프하여라. 단계 4. 첫번째레지스터의내용을두번째레지스터의내용으로나누어얻은몫을세번째레지스터에넣어라. 단계 5. 세번째레지스터의내용을메모리에 STORE하라. 단계 6. 멈춘다.
2.2 기계명령의요소들 1. 명령코드 (opcode): 실행할명령을지정 ( 덧셈뺄셈등 ) 2. 피연산자 (operand): 명령에관한추가정보를제공 A. 피연산자에대한해석은명령코드에따라다름 3. 16 비트컴퓨터경우의예
2.2 덧셈예제의명령코딩예 인코딩된명령 156C 해설 주소가 6C 인메모리셀에들어있는비트패턴으로 5 번레지스터를채운다. 166D 5056 306E 주소가 6D 인메모리셀에들어있는비트패턴으로 6 번레지스터를채운다. 5 번레지스터와 6 번레지스터의내용에대해 2 의보수덧셈을수행하고, 그결과를 0 번레지스터에넣는다. 0 번레지스터의내용을주소가 6E 인메모리셀에저장한다. C000 멈춘다.
3 프로그램의실행 : 기계주기 1. 기계주기 (machine cycle) : A. 인출 (fetch) B. 해석 (decode) C. 실행 (execute) D. Clock 에의하여동기화되며, 기계주기를반복수행하여프로그램실행
3 프로그램의실행예 : 실행대기 1. 16 비트컴퓨터, 프로그램카운터 A0 입력 2. 실행대기
3 프로그램의실행예 : 인출 1. 인출 16 비트컴퓨터로프로그램카운터의값은 2 바이트증가함
3 프로그램의실행예 : 해석, 실행 1. 해석 (156C) 명령 1(LOAD) 레지스터번호 5, 메모리주소 6C 2. 실행 3. 다음명령 166D 의경우 : 명령 1(LOAD) 레지스터번호 6, 메모리주소 6D
3 프로그램및데이터 1. 주기억장치안에는여러개의프로그램이서로다른영역에위치하여동시에저장 2. 프로그램과데이터구분이어려움 ( 실행시점의해석에의해결정됨 )
4 연산 (arithmetic/logic) 명령 1. 산술연산, 논리연산, 자리이동연산으로분류가가능함 2. 산술연산 : 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 A. 정확한동작은값들의인코딩방식에따라달라진다 (2 의보수, 부동소수점 ). 3. 논리연산 : AND, OR, XOR A. 마스킹 (masking) 4. 회전 (rotate) 및자리이동 (shift): A. 회전식자리이동 (circular shift) B. 논리적자리이동 (logical shift) C. 산술적자리이동 (arithmetic shift) D. Shift 연산의경우 x2 또는 /2 효과
4.1 논리연산 1. 논리연산표 1 1 1 1 0
4.1 논리연산예 1. 논리연산응용 2. AND 연산 3. OR 연산 4. XOR 연산
4.2 자리이동연산 1. 회전식자리이동 : 잘려나간비트를반대쪽에삽입하는방법
4.2 자리이동연산 1. 논리적자리이동 : 잘려나간비트를항상 0 으로채우는방법
4.2 자리이동연산 1. 산술적자리이동 : 부호비트는변경되지않도록하여자리이동방법 2. 좌측자리이동 x2 00000100 4 00000010 2 00000001 1 3. 우측자리이동 /2 00000100 4 00001000 8 00010000 16
5 다른장치와의통신 1. 제어기 (controller): 컴퓨터와장치와의통신을처리하는중개장치 A. 각장치유형마다전용제어기가존재함 B. 범용제어기 : USB 와파이어와이어 (FireWire) 2. 포트 (port): 장치를컴퓨터에연결하는지점 3. 장치간연결도식
5 CPU 와제어기사이의통신방법 1. 제어기전용명령을사용하는방법 A. 각제어기마다비트패턴을지정하여통신하는방법 B. 단점? 제어기전용명령이필요 제어기가다수인경우 CPU 설계가복잡해지는한계가있음
5 CPU 와제어기사이의통신방법 1. 주기억장치제어명령을사용하는방법 A. 주기억장치와의통신명령을이용하여각제어기와통신하는방법으로, 특정주소를지정하여활용함 ( 주기억장치는해당주소를무시하도록설계함 ) B. 입출력장치들이각기다른메모리위치에나타나는것과같이동작하므로메모리사상입출력 (Memory-mapped I/O) 라고함 C. 장점? 기계어명령이간단하게표현됨
5 다른장치와의통신 1. DMA(Direct Memory Access): 제어기가버스를경유하여직접주기억장치에접근 2. 폰노이만병목현상 : A. 불충분한버스속도로인한성능저하현상 B. 메모리접근 vs 디스크접근속도 : CPU 활용률저하 3. 핸드셰이킹 (handshaking): 컴퓨터구성요소사이의데이터전송조정과정 4. 인터럽트 (interrupt): 시스템의성능향상을위하여필요함
5 다른장치와의통신 1. 병렬통신 (parallel communication): 다중통신경로를사용하여비트들을동시에전송한다. 예 ) 컴퓨터의프린터포트 2. 직렬통신 (serial communication): 단일통신경로를사용하여한번에한비트씩전송한다. 예 ) 컴퓨터의시리얼포트 ( 휴대폰 USB 연결등으로확인가능 )
5 다른장치와의통신 : 데이터전송속도 1. 측정단위 A. Bps: Bits per second B. Kbps: Kilo-bps (1,000 bps) C. Mbps: Mega-bps (1,000,000 bps) D. Gbps: Giga-bps (1,000,000,000 bps) 2. 대역폭 (bandwidth): 최대전송속도
6 기타컴퓨터구조 1. 기억장치의구성 2. 기억장치계층
6 기타컴퓨터구조 : 캐쉬메모리 1. 캐쉬 (Cache) 기억장치 : CPU 와주기억장치사이에설치한접근속도 가빠른소규모기억장치 2. 적중률 (hit ratio) 적중률 = 캐쉬에적중된횟수기억장치총접근횟수 3. 교체알고리즘 A. LRU(Least Recently Used) 방식, FIFO(First-In First-Out) 방식 B. LFU(Least Frequently Used) 방식, 임의 (random) 교환방식
6 기타컴퓨터구조 : 파이프라이닝 1. 처리율 (throughput) 개선을위한기술 (1) A. 파이프라이닝 (pipelining): 기계주기의단계들을중첩하여성능향상분기명령시효율성없음
6 기타컴퓨터구조 : DMA 1. DMA(Direct Memory Access) 에의한입출력방식 A. 프로그램에의한입출력방식과인터럽트에의한입출력방식의단점을보완하기위한것 B. CPU의레지스터를거치지않고직접주기억장치와입출력장치사이에서데이터전송이이루어짐 C. CPU가유휴 (idle) 상태가될수있음
6 기타컴퓨터구조 : 다중프로세서 1. 처리율 (throughput) 개선을위한기술 (2) A. 병렬처리 (parallel processing): 여러개의프로세서를동시에사용한다. B. SISD: 병렬처리하지않음 C. MIMD: 여러개의프로그램이각자다른데이터를사용하여수행됨 D. SIMD: 동일한프로그램이여러데이터에적용됨 2. 멀티프로세서 (Multi-processor) A. 싱글코어 듀얼코어 쿼드코어 -> 옥타코어 ( 하나의칩안에여러개 ALU 등을포함 )