3 장 컴퓨터시스템의구조 Introduction to Computers Revised 6th Edition
목차 Introduction to Computers Revised 6th Edition
3 컴퓨터시스템은기본적으로하드웨어와소프트웨어로구성됨 하드웨어는전자회로와그밖의물리적인장치들로이루어짐 소프트웨어는이를활용할수있는기본적인프로그램이나이와관련된기술들을말함 [ 하드웨어와소프트웨어의케이스 ]
4 컴퓨터의외부구조 컴퓨터는입력장치, 중앙처리장치, 주기억장치, 보조기억장치, 출력장치등으로이루어져있음
5 컴퓨터의내부구조 컴퓨터의내부구조를보여주는것으로중앙처리장치를중심으로한자료신호와명령신호들의흐름을나타냄
6 컴퓨터의내부구조 연산장치와제어장치로이루어져있음 연산장치 (ALU) 는사칙연산및논리연산을실행하기위한장치 자료의비교, 판단, 이동, 편집등을수행함 프로그램의명령을해석하고명령에따라각장치의작업을지시하고감독함 각종입출력장치, 기억장치, 연산장치등의동작을제어함 해독된명령들을각장치에보내처리하도록지시하는일을담당함
7 컴퓨터시스템의구성요소 컴퓨터를구성하는물리적인장치들의집합체 중앙처리장치 (CPU), 롬 (ROM), 램 (RAM) 등과같은핵심부품들을장착한메인보드 (main board) 로이루어짐 디스크드라이브와같은보조기억장치도주변하드웨어에포함됨 전원공급장치와입력장치그리고출력장치도하드웨어에속함
8 컴퓨터시스템의구성요소 1 입력장치 문자나기호같은데이터를컴퓨터가인식할수있는전기적신호장치로변환시켜주는장치 키보드, 마우스, 터치스크린, 센서등이있음 2 출력장치 중앙처리장치가처리한결과를출력하는장치 모니터, 스피커, 프린터, 플로터등이있음
9 컴퓨터시스템의구성요소 3 중앙처리장치 (CPU) 제어장치, 연산장치, 레지스터등으로구성됨 개인용컴퓨터에서는중앙처리장치를마이크로프로세서라고도부름 마이크로프로세서의속도에따라 80286, 80386, 80486, 그리고펜티엄 (Pentium)Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ 등의이름을사용함
10 컴퓨터시스템의구성요소 4 주기억장치 (Main Memory) 컴퓨터내에서명령어와데이터들을기억하는대규모저장장치 입력장치로부터들어온자료는주기억장치에저장됨 5 보조기억장치 주기억장치를보조해주는기억장치 자기디스크, 자기테이프, 디스켓, 하드디스크, CD-ROM, DVD, USB 등이있음
11 컴퓨터시스템의구성요소 1 시스템소프트웨어 사용자가복잡한하드웨어를모르고서도사용할수있도록도와주는프로그램종류에는운영체제, 언어번역프로그램, 유틸리티 (utility) 등이있음 운영체제는컴퓨터의전체적인작동을관리하는프로그램사용자가컴퓨터시스템을편리하고효율적으로사용할수있는방법을제공 언어번역프로그램중어셈블리프로그램을번역하는프로그램을어셈블러 (Assembler), 고급언어를번역하는프로그램을컴파일러 (Compiler) 라고부름 유틸리티프로그램은컴퓨터의조작을편리하게해주는프로그램대부분의유틸리티프로그램은컴퓨터제작회사에서제공하고있음
컴퓨터시스템의구성요소 12
13 컴퓨터시스템의구성요소 2 디바이스드라이버 (Device Driver) 우리말로 장치구동기 라고함하드웨어와운영체제의중간에위치함하드웨어장치들을동작시키는일을담당함
14 컴퓨터시스템의구성요소 시스템의효율을높이기위해 ROM 에들어있는기본적인프로그램 ROM 에고정되어있기때문에하드웨어의특성도가지고있으나, 실제로는소프트웨어에더가깝다고볼수있음 전형적인처리루틴, 비휘발성, 변경불가등의특징으로특수한영역에많이사용되고있음 [FlashROM Unit]
15 명령을수행하고데이터를처리하는장치로서사람의두뇌에해당됨 주기억장치에입력된데이터는중앙처리장치에의해처리되어결과를출력 마이크로프로세서 중앙처리장치를한개의칩으로구현한것으로비트수가클수록성능이좋음 연산장치, 제어장치, 레지스터등으로구성됨 인텔사가만든 80286, 80386, 80486, 펜티엄, 펜티엄 II, 펜티엄 Ⅲ, 펜티엄 IV 등을말함 또한 DEC 가만든알파 (Alpha), 모토롤라사 (Motorola) 가만든파워피시 (PowerPC), 썬마이크로시스템즈사가만든울트라스팍 (UltraSPARC) 등도이에속함
마이크로프로세서 16
17 중앙처리장치의구성 연산장치와제어장치로구성됨데이터처리과정에있어필수적요소임 자료를처리하고계산하는장치산술연산 : 사칙연산 ( 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 ) 논리연산 : 논리합 (OR), 논리곱 (AND), 논리부정 (NOT)
18 중앙처리장치의구성 프로그램에의해주어지는연산의순서를차례대로실행하기위해기억장치, 연산장치, 입출력장치에제어신호를보냄 이들장치로부터신호를받아다음에처리할작업들을제어하는역할을담당 1 명령어를해독 (decode) 하여제어장치내의명령어레지스터에저장하는단계 2 명령어레지스터에기억된명령어에따라명령어를실행하는명령어실행단계 1 페치단계 (fetch cycle) 기억장치의명령어를호출하여명령어레지스터에저장하는단계 2 실행단계 (execution cycle) 명령어를해독하여실행하는과정
19 중앙처리장치의종류 명령어의구성방식에따라 CISC(Complex Instruction Set Computer) 와 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 방식으로구분 마이크로프로그래밍을통해다양한명령어형식을제공 명령어의수가많고구조가복잡하여생산단가가비쌈 일반 PC 에사용되는 386, 486 등인텔계열의중앙처리장치에쓰임 명령어의수가많고내부적으로복잡한것이특징 연산속도를향상시키기위해제어논리를단순화시킴 CISC 보다단순화된명령어구조를가짐 CISC 에비해가격이저렴하며주로워크스테이션에쓰임 특별한설계방법을통해속도를최대한높일수있음
20 컴퓨터의중앙처리장치는주기억장치에기억되어있는프로그램명령어를호출하는페치과정을수행하고해독함 해독된결과에따라자료를이동시키고 (transfer) 연산과입출력을실행 이때명령어를페치하는시간을페치사이클 (fetch cycle) 이라함 명령어의내용에따라수행되는시간을명령어실행사이클 (execution cycle) 이라함
하나의명령어실행사이클이실행되는시간, 즉명령어페치시간과명령어실행시간의합 21
22 (interrupt) 명령어수행중에실행이잠시중단되는인터럽트 (interrupt) 가발생하기도함 인터럽트란프로그램의실행도중운영체제나시스템에의해서실행중인프로그램이잠시중단된후특정한작업을수행하는것 I/O 인터럽트, 시스템호출인터럽트등이있음
23 명령어의실행사이클 프로그램카운터가지시하는명령을페치함 명령어를해석하여데이터에대한유효주소 (effective address) 를생성함 데이터를페치하고명령어를실행함 인터럽트가발생하면위의두사이클을마친후인터럽트를처리함
24 명령어의실행과정 레지스터 (register) 는명령어의실행과정에서매우중요한역할을담당 레지스터는실행의중간결과나적은양의자료를임시로저장하는플립플롭 (flipflop) 으로구성되며, 중앙처리장치내의임시기억장치임
25 명령어의실행과정 레지스터는여러개의비트로이루어진기억장치회로로서, 지정된목적에사용됨 CPU 내부에는 MAR, MBR, IR 등여러개의레지스터들이있음 각종의명령을실행할때명령의내용또는자료를일시적으로유지하는등에사용됨
26 명령어의실행과정 1 메모리버퍼레지스터 (Memory Buffer Register: MBR) 모든자료가임시로거치게되는자료출입용레지스터 2 메모리어드레스레지스터 (Memory Address Register: MAR) 기억장치내의정보를호출하기위한주소저장용레지스터 3 명령어레지스터 (Instruction Register: IR) 현재수행중인명령어를임시로기억해두는레지스터 4 프로그램카운터 (Program Counter: PC) 다음에실행될명령어의주소를기억하는레지스터
27 명령어의실행과정 5 명령어해독기 (Instruction Decoder) 명령어코드를해독하여필요한실행신호를발생시킴 6 주소해독기 (Address Decode) 주소를해독하여그정보를 MBR 로전달함 7 인덱스레지스터 (Index Register: IR) 명령어실행중상대주소를결정하는레지스터 8 범용레지스터 (General Purpose Register: GPR) 사용자가프로그램에서다목적으로활용할수있는범용레지스터 9 베이스레지스터 (Base Register: BR) 프로그램의기준주소를가지고있는레지스터
명령어의실행과정 28
명령어의실행과정 29
30 기억장치의개념 프로그램, 처리할데이터, 처리한결과등을저장하는장치로서통상 메모리 라고함 기억장치는컴퓨터에서사용하는모든프로그램이나데이터를기억시켜두고, 필요할때이용할수있도록해줌 기억장치는처리속도와사용속도, 용도, 용량에따라주기억장치, 보조기억장치, 레지스터, 캐쉬등으로나누어짐
기억장치의개념 31
32 기억장치의개념 주기억장치와보조기억장치, 캐쉬기억장치로나누어짐
기억장치의개념 33
34 주기억장치 중앙처리장치와의정보교환을위해프로그램과데이터를기억하는장치초기에는자기코어 (magnetic core) 를사용, 현재대부분초고집적도의반도체를사용중앙처리장치와직접자료를교환할수있는기억장치프로그램수행에필요한기본적인명령어와데이터를기억하는매우중요한장치
35 주기억장치 초창기의컴퓨터에서는진공관을주기억장치의기억소자로사용하였음 하지만부피가크고전력소모가많으며처리속도가매우느려처리속도가빠른자기코어 (Magnetic Core) 와트랜지스터를단계적으로주기억장치의기억소자로사용하게됨 자기코어는작은자성물질의링 (ring) 인데, 보통페라이트코어 (ferrite core) 를 사용하며, 한번자기화되면그자성을계속보존하는성질이있음
36 주기억장치 1970 년대초에는얇고작은실리콘판에트랜지스터를집적한반도체가개발됨 그후최신의 RAM 으로발전됨
37 주기억장치 조셉슨소자 (Josephson Junctions) 조셉슨소자는반도체의실리콘대신에니오브 (Nb) 와같은특수금속을사용하여극저온에서일어나는초전도현상을이용함 반도체소자보다 100 배이상빠르며소비전력도 1,000 배정도적은특성을가지고있음
38 주기억장치 VRAM VRAM 은 VGA 카드와같은비디오회로에사용하기위해설계된칩 데이터를기록하는핀과읽는핀이따로구분되어있음 따라서한쪽에서데이터를기록하고있는동안다른핀으로는데이터를읽을수있는장점을가지고있음
39 주기억장치 주기억장치는프로그램기억장소, 작업장소, 입력데이터기억장소, 출력데이터기억장소로구성됨
40 주기억장치 집적회로의실리콘판에다기억소자회로를대량집적한것임 크기가작고, 속도가빠르며, 전력소모가작음 대량생산이가능하며, 성능에비해서저렴함 1 ROM(Read only Memory) 기억된내용을자유롭게읽을수는있음 (read only) 그러나데이터를임의로기억시킬수없는읽기전용의비휘발성 (non-volatile memory) 기억장치임 전자회로로기억하기때문에전원이끊어져도그내용이보관됨
41 주기억장치 1 ROM(Read Only Memory) Mask ROM 제조과정에서내용을미리프로그래밍하여기억시킨것으로, 사용자가내용을변경할수없음 PROM(Programmable ROM) 사용자가내용을일단기억시킨후에도필요에따라프로그램을다시기억시킬수있는장치
42 주기억장치 1 ROM(Read only Memory)( 계속 ) EPROM(Erasable Programming ROM): PROM 을개량한것으로자외선이나높은압력을이용하여내용변경이가능한메모리
43 주기억장치 2 RAM(Random Access Memory) 사용자가작성한문장이나프로그램이기억되는기억장소 임의의메모리주소에기억되어있는데이터를주소지정에의해즉시판독하고기록할수있는기억장치 전원이끊어지면기억된내용이모두지워지는휘발성 (volatile memory) 메모리
44 주기억장치 2 RAM(Random Access Memory) 정적 RAM(Static RAM : SRAM) 전원이공급되는한내용이기억되며, 속도는빠르지만가격이비싸작은용량의메모리에사용됨 동적 RAM(Dynamic RAM : DRAM) 기억된자료를유지하기위한 REFRESH PULSE 를항상공급해야하며, 가격이싸대용량에적합하고, PC 의대부분의 RAM 은이방식을사용됨
주기억장치 45
46 보조기억장치 주기억장치의제한된용량을지원하는장치 중 대형컴퓨터에서는자기디스크, 자기테이프등이쓰임 개인용컴퓨터에서는플로피디스크 (Floppy Disk), 하드디스크 (Hard Disk), CD-ROM, DVD, SSD 등이쓰임
보조기억장치 47
48 보조기억장치 1 자기테이프장치 (Magnetic Tape) : 플라스틱테이프표면에자성재료인산화철분말을바른것으로반영구적상태로저장됨 2 자기디스크장치 (Magnetic Disk) : 디스크에는원주를따라동심원트랙이있고각각의트랙은섹터로나누어짐 3 자기드럼장치 (Magnetic Drum) : 알루미늄합금원통형표면에자성자료를바른기억장치로트랙들은각각자신의헤드를가지고있음
49 보조기억장치 1 플로피디스크 (Floppy disk) 와하드디스크 (Hard Disk) 플로피디스크 : 통상디스켓 (diskette) 이라하는데초장기의보조기억장치로많이사용되었음 하드디스크 : 많은프로그램과자료들을저장하는보조기억장치로서, 단단한금속상자바닥에 PCB 기판과칩이붙어있는형태를가지고있음
50 보조기억장치 2 CD-ROM 과 CD-RW CD-ROM : 멀티미디어시대의필수적저장매체로서용량 / 가격비율이가장저렴함, 읽을수만있으며 1, 2, 4 배속등의속도로발전하였다. [1 배속은 150 Kbyte/sec & 200~530RPM] CD-RW : 기존의읽기전용기능에다쓰기기능까지가능한 CD 매체
51 보조기억장치 3 USB Flash Drive USB 포트에꽂아쓰는이동이편리한저장장치 크기가작아휴대하기가매우간편함 보안용암호장치가있어자료를안전하게보관가능 공인인증서등을안전하게사용할수있어정보의외부유출위험을줄일수있음
52 최근의기억장치와보조기억장치동향 전기적으로데이터를지우고다시기록할수있는비휘발성컴퓨터기억장치 현재가장많이사용되는메모리종류 주로휴대용정보통신기기의메모리로사용됨
53 최근의기억장치와보조기억장치동향 하드디스크드라이브 (HDD) 를대체하고있는차세대저장매체 HDD 보다가볍고데이터처리속도가빠르며낮은전력소모와안정성이장점
54 최근의기억장치와보조기억장치동향 외장하드또는휴대용하드디스크라고도불림 외장형케이스에하드디스크를결합한제품을말함 용도는대용량데이터백업, 용량확장, 휴대용하드디스크등
55 컴퓨터처리속도 대표적인 CPU 의속도지표는 Hz 와 IPC(Instruction/Cycle) Hz 는사이클의정도를의미함 IPC 는사이클당명령어처리의정도를의미함
56 컴퓨터처리속도 이후현재까지성능이개량된칩들은생산되고있으나본격적으로업그레이드된칩은나오지않음 최근에는새로운 CPU 업그레이드보다는 32nm( 나노 ) 제조공정으로부터 14, 10nm 극미세공정으로의개발과생산이진행중임
57 컴퓨터처리속도 인텔중앙처리장치가중앙처리장치를 x86 으로통합적으로부르기위해사용한이름 최근에는오히려비인텔계열의중앙처리장치를지칭하기위해서주로사용함 대표적인제품군으로는 AMD K5, AMD K6 제품군과 Cyrix 5x86, 6x86, M1, M2 제품등이있음
58 컴퓨터처리속도 68XXX 계열프로세서로불림 68000, 68010, 68020 등의제품군을가짐 RISC 방식이며인텔과호환성이없음 Power PC 로명칭을바꾸며애플컴퓨터에쓰이고, 최근에는명칭을 G3, G4 로도부름 이후현재까지 Mac Pro 용응용 CPU 로는개량되고있으나본격적으로업그레이드된칩은나오지않음
컴퓨터처리속도 59
60 데이터전송방법 컴퓨터에서의데이터전송은버스 (bus) 를통하여이루어짐 시스템버스에는데이터버스, 주소버스, 그리고제어버스가있음 데이터를이동시키려면반드시버스를사용해야함 주변장치나주기억장치와의연결시에는모두버스를통하여데이터의전송이이루어짐
61 데이터전송방법 16/32 비트는각각 16/32 차선의고속도로로생각할수있음 예 ) 데이터전송폭이 32 비트인 33MHz 의 PCI 는 32 비트버스 => 4Byte * 33,000,000 = 132,000,000B/sec 의속도를가짐
62 데이터전송방법 버스의전송량을의미 버스의대역폭이컴퓨터의성능을좌우하기도함 ISA(Industrial System Architecture) EISA(Enhanced ISA) Vesa Local Bus, PCI, AGP 등이있음
63 데이터전송방법 [ 버스와버스연결선의예 ] [ 기판내에서의버스위치 ]
64 입력장치에는키보드, 마우스, 스캐너, 트랙볼, 포인트스틱, 터치패드, 광학문자판독기 (OCR), 광학마크판독기 (OMR), 바코드판독기, 터치스크린, 디지털카메라등이있음 키보드 (Keyboard) PC 의가장대표적인입력장치 문자키패드, 숫자키패드, 특수키, 기능키등으로구성됨 [ 일반키보드 ] [ 인체공학적내추럴키보드 ] [ 무선키보드 ]
65 마우스 (Mouse) 그래픽사용자환경으로되어있는 Windows 의대표적인입력장치 마우스포인터를움직여메뉴나아이콘을쉽게선택하거나실행하는입력장치 [ 일반적인마우스 ] [ 광마우스 ] [ 지문인식마우스 ]
66 스캐너 (Scanner) 텍스트, 그림, 사진등의영상자료를컴퓨터로읽어들이는입력장치초창기의스캐너가격은몇천만원대였으나지금은매우일반화되어있음 [ 핸드스캐너 ] [ 탁상용스캐너 ]
67 디지털카메라와영상카메라 영상을그래픽파일형태로곧바로컴퓨터에입력시킬수있는장치
68 광학마크판독기와광학문자판독기 (Optical Mark Reader: OMR) 광학마크를읽어들이는장치 해당부분을까맣게표시하고기록된자료를판독함 입시에사용되기도함
69 광학마크판독기와광학문자판독기 (Optical Character Reader: OCR) 손으로쓴글씨나인쇄된문자에빛을쏘아반사시켜문자를판독하는장치 신문구독료용지나적십자회비통지서등에이용됨
70 바코드판독기 (Bar Code Reader) 빛을쏘아상품에인쇄된바코드를인식하는장치 판매시점 (Point of Sale: POS) 자료수집시스템에서많이사용
71 바코드판독기 (Touch Screen) 손으로접촉 (touch) 하면그위치를입력받도록하는특수한입력장치를장착한화면 통상일반모니터화면에터치패널 (touch panel) 이라는장치를덧붙여서기능을발휘함
72 그래픽카드 (Graphic Card) 컴퓨터가처리한자료를인간이볼수있도록변환하여모니터에뿌려주는장치 선택기준은해상도, 비디오메모리의크기, 비디오메모리의종류, 화면표시속도, 범용성과호환성, 색상, 3D 그래픽처리능력등
73 표시장치 TV 의브라운관처럼전자빔이발광하여표시하는방식 일반적인모니터 (monitor) 를칭함
74 표시장치 액정물질이들어있는두장의유리판에다전압을가하고, 그로인해반사되는빛의양을변화시켜화면에표시하는장치 [LCD 모니터 ]
75 표시장치 두장의유리판사이에플라즈마란혼합가스의충돌로일어나는빛을이용하여화면에표시하는장치 [ 벽걸이형 TV]
76 표시장치 형광성유기화합물에전류가흐르면빛을내는발광현상을이용하여만든유기물질로만들어짐 화질반응속도가 TFT-LCD 에비해 1,000 배이상빨라동영상을구현할때잔상이거의나타나지않는차세대평판디스플레이 [ 곡면 (Curved) OLED TV]
77 인쇄장치 잉크젯 (Inkjet) 프린터 - 프린터헤드의가는구멍 ( 노즐 ) 을통해잉크를분사하여인쇄하는방식 - 적은비용으로컬러인쇄까지도가능하여개인용프린터로많이사용됨 레이저 (Laser) 프린터 - 감광드럼에빛을쏘아토너를묻혀인쇄하는방식의프린터로서요즘에는가장많이쓰임 [ 잉크젯프린터 ] [ 레이저프린터 ]
78 인쇄장치 플로터 (Plotter) 그림등을인쇄하는장치로서주로대형인쇄물이나 CAD 의출력장치로쓰임출력용지의크기에제한을받지않고그래프나도형으로출력할수있음 [ 플로터 ]
79 음성출력장치 컴퓨터에저장된소리와음악등의데이터를실제소리와음악으로변환하여스피커로보내주는장치 [ 사운드카드 ]
80 음성출력장치 음향에대한관심의증대와멀티미디어개념의확산에힘입어그성능이점차향상되고있음 [ 다양한형태의스피커시스템 ]