Transcript 컴퓨터 구조론

1장. 컴퓨터의 기초
Lecture #1
1.1 컴퓨터의 개요 (1)

사회구조 변천 과정



제임스 와트의 증기기관 발명
전기 발명
컴퓨터와 통신 탄생
정보통신
PC성능의 비약적인 발전
정보통신(컴퓨터+통신)의 발전
초 고속 통신망의 발달
통신
컴퓨터
정보생산, 가공, 저장기능
정보 유통기능
[ 정보통신의 발전 ]
컴퓨터 구조론
1
1.1 컴퓨터의 개요 (2)

컴퓨터 개요


초기 컴퓨터 : 계산을 목표로 함(전자계산기라고 통칭)
현재 컴퓨터
 계산능력(데이터의 해석이나 모의 실험)
 컴퓨터의 기억, 검색, 전달 기능을 이용한 대량 정보수집,
저장
 정보를 여러 형태로 분류, 검색하는 정보처리 능력
 프로그램에 의해 작업을 기억하여, 작업을 진행하고, 처리
결과의 상태에 따라 비교, 판단하는 판단 관리 능력
컴퓨터 구조론
2
1.1 컴퓨터의 개요 (3)

컴퓨터의 기능

원시 자료(source data)를 가공 처리하여 새로운 정보를 만
든다.
원시 데이터
데이터 처리
정 보
[ 컴퓨터의 정보처리 기능 ]


자료(Data) : 우리들 주변에 널려 있는 모든 것들 중에서 일
정한 형식은 갖추고 있지만 가공되지 않은 정보
정보(Information) : 필요에 따라 정해진 일정한 규정에 의
해 자료를 정리, 가공하여 얻게 된 일종의 지식
컴퓨터 구조론
3
1.1 컴퓨터의 개요 (4)

컴퓨터의 특성







고속성 : 입력, 기억, 연산, 비교, 판단, 출력 등의 기능을
매우 빠른 속도로 처리.
정확성 : 정확한 프로그램과 자료가 주어지면 연산이나
처리를 정확하게 수행.
저렴성 : 복잡한 작업을 사람이 하는 것보다 저렴하게 처리.
범용성 : 활용분야가 광범위함.
다중성 : 여러 작업을 동시에 처리.
대용량성 : 많은 자료의 처리와 기억기능.
호환성 : 사용 프로그램과 자료를 상호 공유하여 처리.
컴퓨터 구조론
4
1.1 컴퓨터의 개요 (5)

디지털 컴퓨터의 구성
기억 장치
CPU
입력 장치
인터페이스
회로
출력 장치
[ 디지털 컴퓨터의 구성 ]
컴퓨터 구조론
5
1.2 컴퓨터의 역사 (1)

계산기의 발전

최초 계산기 : 3000년 전의 주판.

1617년 네피어(J. Napier)의 네피어 봉(bone)


1642년 파스칼(B.Pascal)은 최초의 기계식 탁상 계산기.


곱셈용 계산 도구
톱니바퀴를 이용한 덧셈, 뺄셈 연산.
1671년 라이프니치(B.V.Leibnitz)는 파스칼의 계산기 개량하여
기계식 속산표 기계 발명.

컴퓨터 구조론
덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 연산
6
1.2 컴퓨터의 역사 (2)

최초의 자동 컴퓨터

해석기계 : 바베지(C. Babbage)가 1834년에 고안.
Mill
(산술기능)
Store
(저장기능)
Printer 와
Card punch
명령어
OP cards
(4칙 연산)
프로그램
Variable
cards
[ Babbage의 Analytical engine 구조 ]
컴퓨터 구조론
7
1.2 컴퓨터의 역사 (3)

근대 컴퓨터

IBM 설립과 MARK-1의 탄생




1866년 홀러리스(H.Hollerith) : PCS(Punch Card System)
IBM
MARK-1 : IBM 후원으로 릴레와 천공 카드를 이용한 기계식
컴퓨터.
ABC와 ENIAC 이후

ABC 컴퓨터 : 전기적으로 작동하는 최초의 디지털 계산기



컴퓨터 구조론
Atanasoff-Berry Computer
ENIAC : 18,000개의 진공관과 1,500개의 릴레이로 구성된
전자식 계산기. 군사용으로 사용
UNIVAC-1 : 반도체 다이오드와 진공관을 사용한 최초의 상
업용 컴퓨터.
8
1.2 컴퓨터의 역사 (4)
카드리더
프린터
데이타선
승산기
기능표
제산기 및
평방근 계산기
A1
A2
A 20
가산기
제어선
제어 장치
[ ENIAC의 구조 ]
컴퓨터 구조론
9
1.2 컴퓨터의 역사 (5)

프로그램 내장형 컴퓨터



컴퓨터 구조론
폰 노이만(Von Neumann)
계산기에 기억장치를 설치하고 여기에 프로그램과 데이터를
저장한 다음 저장된 내용을 제어장치가 차례로 명령어를 읽어
명령어를 하나씩 읽어 내어 해독하고, 해독된 내용에 따라 데
이터를 처리하여 그 결과를 출력장치로 보내어 문체를 처리한
다.
EDSAC : 프로그램 내장방식을 채택한 최초의 컴퓨터.
10
1.2 컴퓨터의 역사 (6)
: 데이터와 명령
기억장치
입력장치
연산장치
: 제어 신호
출력장치
제어장치
[ 폰 노이만 기계의 구조 ]
컴퓨터 구조론
11
1.2 컴퓨터의 역사 (7)

컴퓨터의 발전과정
제 1세대 컴퓨터(1946 ~ 1958)
 CPU 회로소자 : 진공관(냉각장치 필요)
 기억장치 : 수은 지연회로, 자기 드럼
 언어 : 기계어
 입출력장치 : 천공카드, 종이 테이프
 UNIVAC-1, IBM 701, IBM 702, IBM 704
 제 2세대 컴퓨터(1959 ~ 1964)
 CPU 회로소자 : 트랜지스터
 기억장치 : 자기 코어, 자기테이프, 자기디스크
 언어 : 어셈블리어, COBOL, FORTRAN, ALGOL, APL 등
 운영체제의 개발, 다중 프로그램 가능
 온라인 실시간 처리 시스템 방식
컴퓨터 구조론

12
1.2 컴퓨터의 역사 (8)

제 3세대 컴퓨터(1965 ~ 1971)

CPU 회로소자 : 직접회로(IC)


소프트웨어 체계 확립





IC, SSI, MSI
운영체제, 다중 프로그램, 온라인 실시간 처리 시스템 등이 일반화
시분할 처리 방식(TSS:Time Sharing System)
MIS(Management Information System)체계 확립
IBM 360시리즈, UNIVAC 9000시리즈, PDP-11
제 4세대 컴퓨터(1975 ~ 1979)




컴퓨터 구조론
CPU 회로소자 : LSI
캐쉬 기억장치, 가상 기억장치, 연상 기억장치
개인 컴퓨터의 대중화.
온라인 실시간 처리시스템이 보편화.
13
1.2 컴퓨터의 역사 (9)

제 5세대 컴퓨터(1980 ~ )
 CPU 회로소자 : VLSI
 대규모 종합 컴퓨터 네트워크가 추진 : 폭넓은 정보교환이
보편화.
 소형의 전용 컴퓨터 지향.
컴퓨터 구조론
14
1.2 컴퓨터의 역사 (10)

Intel Microprocessor
Transistors per chip
10 8
10 7
Pentium Pro Pentium II
Pentium
486
10 6
80286
10 5
386
8086
10 4
4004
10 3
1970 1975
1980 1985
1990 1995
2000
2005
[ Intel 마이크로프로세서의 트랜지스터 집적도 ]
컴퓨터 구조론
15
1.3 컴퓨터의 구성 (1)

하드웨어


연산장치, 제어장치, 기억장치, 입력장치, 출력장치
하드웨어 기본 구성
주변장치
기억장치
CPU
연산장치
컴퓨터
제어장치
통신 라인
컴퓨터 구조론
입력장치
인터페이스
출력장치
16
1.3 컴퓨터의 구성 (2)

중앙처리 장치(CPU)

사용자가 지시한 프로그램에 따라 컴퓨터의 동작을 제어하
고 데이터들을 연산 및 처리하는 기능.
기억장치
CPU
입출력장치
내부 입력 버스
레지스터
연산 장치
제어 장치
내부 출력 버스
[ 중앙 처리 장치의 구조 ]
컴퓨터 구조론
17
1.3 컴퓨터의 구성 (3)

중앙처리 장치(CPU)

주요 구성 요소

연산장치(ALU : Arithmetic Logic Unit)




제어장치(Control Unit)
레지스터(Register)
주기억장치(Primary Memory)




컴퓨터 구조론
가산기, 논리연산기, 보수연산기, 시프터, 상태플래그레지스터
캐쉬메모리(Cache Memory)
주 메모리(Main Memory)
보조메모리(Auxiliary Memory)
ROM(Read Only Memory)
18
1.3 컴퓨터의 구성 (4)

주변 장치

입력장치



출력장치



컴퓨터에게 직접 명령을 내리거나 데이터를 데이터를 입력할 때
사용하는 장치.
키보드, 마우스, 입력 펜, 스캐너, 디지타이저 등.
처리된 결과를 문자, 그래프, 영상, 음성 등의 형태로 출력하는 장
치.
모니터, 프린터, 플로터 등.
보조기억장치


컴퓨터 구조론
컴퓨터가 당장 필요로 하지 않는 프로그램이나 자료들을 파일 형
태로 기억했다가 필요한 시기에 주 기억장치로 옮겨서 수행.
HDD, FDD, CD-ROM, DVD-ROM 등
19
1.3 컴퓨터의 구성 (5)

소프트웨어


컴퓨터의 하드웨어를 동작시키기 위한 모든 기술, 방법 등
을 갖춘 프로그램의 집합.
프로그래밍 언어

저급언어(low level language)



고급언어


컴퓨터 구조론
기계어 : 프로세서에게 직접 작업을 지시하기 위한 언어.(2진수로
작성)
어셈블리어 : 2진 코드로 구성된 기계어에 1:1로 대응하는 연산 코
드를 정하여 사용하는 언어.
인간이 사용하는 문장과 유사한 자연어로 구성되어 있어 프로그램
을 이해하거나 작성하는데 용이한 언어.
컴파일러, 인터프리터 필요
20
1.3 컴퓨터의 구성 (6)

소프트웨어의 체계

응용소프트웨어



사용자가 문제를 해결하기 위하여 작성한 프로그램.
패키지 프로그램 – 워드프로세서, 데이터 베이스
유틸리티 프로그램
사용자

시스템 소프트웨어


컴퓨터 구조론
컴퓨터 기능을 효율적으로
사용할 수 있도록 하는
소프트웨어
운영체제, 제어 프로그램,
처리 프로그램 등
응용 소프트웨어
API
운영체제
User Program
Application S/W
Application Programming
Interface
Operating System
ROM BIOS
ROM BIOS
컴퓨터 하드웨어
Computer H/W
[ 소프트웨어 계층 구조 ]
21
1.4 컴퓨터의 종류 (1)

데이터 형태에 의한 분류

아날로그 컴퓨터 (Analog computer)



물리적인 양에 대한 연속적인 형태의 자료를 이용하여 측정하
고 계산하여 출력하는 형태의 컴퓨터.
디지털 컴퓨터(Digital computer)

모든 데이터를 이산적인 숫자 형태로 표현, 연산

논리회로로 구성되며 모든 동작은 프로그램에 의해 수행
하이브리드 컴퓨터(Hybrid computer)

아날로그와 디지털 컴퓨터의 혼합.

A/D변환기, D/A변환기를 내장.

컴퓨터 구조론
과학 기술 계산용, 군사용
22
1.4 컴퓨터의 종류 (2)

하드웨어 용도에 의한 분류

마이크로 컴퓨터(micro computer)




개인용 컴퓨터(personal computer)


마이크로 프로세서
중앙처리장치를 최소화하여 작게 만든 컴퓨터
기계 제어를 위한 마이크로 컨트롤러 목적으로 개발
컴퓨터가 가격도 저렴해지고 개인별 소유가 용이함에 따라 불
리워짐.
범용 컴퓨터(general purpose computer)

광범위한 분야에 걸친 문제들을 해결하기 위해 설계된 컴퓨터.
과학기술 계산용, 사무처리용으로 구분
컴퓨터 구조론
23

1.4 컴퓨터의 종류 (3)

컴퓨터 규모에 의한 분류

마이크로 컴퓨터(micro computer)



미니 컴퓨터(mini computer)


Multi-user system으로 개발.
메인 프레임 컴퓨터(mainframe)



CPU로 마이크로 프로세서를 사용하는 컴퓨터.
One-chip micro computer
가격 대비 성능면에서 다른 컴퓨터 보다 앞서있다.
메인 프레임에 의해서만 제공될 수 있는 특수한 목적의 기능이
포함.
슈퍼 컴퓨터(super computer)

컴퓨터 구조론
특수한 분야에서 고속으로 데이터들을 처리할 수 있는 특수한
24
컴퓨터.
1.5 집 적 회 로 (1)

집적회로


한 개의 칩 안에 다수의 디지털 게이트를 구성하는 수많은
전자 부품들을 집적하여 만든 실리콘 반도체.
집적 회로의 장점







컴퓨터 구조론
시스템의 크기가 작다.
동작 속도가 빠르다.
전력 소모가 적다.
수명이 반 영구적이다.
고장이 적어 신뢰도가 높다.
외부와의 연결 회로가 간단하다.
가격이 싸므로 경제적이다.
25
1.5 집 적 회 로 (2)

반도체 제조 기술에 따른 집적회로 분류
디지털 집적 회로
모노리틱
양극형
RTL ECL
DTL
TTL
컴퓨터 구조론
하이브리드
단극형
IIL
박막형
후박형
MOSFET PMOS
NMOS
CMOS
HMOS
26
1.5 집 적 회 로 (3)

회로의 집적도에 따른 분류

소규모 집적회로 (SSI : Small Scale Integrated circuit)



중규모 집적회로 (MSI : Medium Scale Integrated circuit)


10~100(10~102)개 미만의 게이트로 구성.
대규모 집적회로(LSI : Large Scale Integrated circuit)



10개 미만의 게이트로 구성.
기본논리 회로가 내장되어 있는 것 의미.
100~10,000(102~104)개 미만의 게이트로 구성.
컴퓨터 기억장치, 계산기 같은 기능 구현.
초대규모 집적회로 (VLSI :Very Large Scale Integrated circuit)


컴퓨터 구조론
10,000~1,000,000(104~106)개 미만의 게이트로 구성.
초대규모 기억장치나 복잡한 마이크로 프로세서 구현.
27
1.5 집 적 회 로 (4)

회로의 집적도에 따른 분류

울트라 집적회로 (ULSI :Ultra Large Scale Integrated circuit)
* 1,000,000~100,000,000(106~108)개 미만의 게이트로 구성.

기가 집적회로 (GSI :Giga Scale Integrated circuit)
* 100,000,000~10,000,000,000(108~1010)개 미만 게이트로 구성.

테라 집적회로 (TSI :Tera Scale Integrated circuit)
* 10,000,000,000(1010)개 이상의 게이트로 구성.
컴퓨터 구조론
28
1.5 집 적 회 로 (5)

TTL(Transistor-Transistor Logic)


가장 많이 사용되고있는 논리군으로, DTL로부터 성능향상
을 위해 다이오드를 트랜지스터로 바꾼 것.
구성



컴퓨터 구조론
개방 컬렉터(open collector output) 출력 : 컬렉터가 개방되어
있기 때문에 사용 시 외부 드라이브 저항이 필요.
토템폴(totem-pole) 출력 : TTL의 표준출력. 전파지연이 감소
되고 fan-out이 크며 출력 전력이 높다.
3-상태(Tri-state) 출력 : 개방 컬렉터 출력에서 두 개 이상의
컬렉터 게이트의 출력을 묶어서 공통 저항을 통해 전원에 연결
함으로써 외부적으로는 AND기능을 수행하게 되며, wire-AND
라 한다.
29
1.5 집 적 회 로 (6)

ECL(Emitter-Coupling Logic)



슈퍼 컴퓨터 신호 처리기 같은 고속 회로에 이용.
ECL 게이트의 트랜지스터는 불포화 상태에서 동작한
다.(1~2 nano second의 지연시간을 가짐.)
ECL 게이트의 기호
A
B
컴퓨터 구조론
A+B (NOR)
A+B (OR)
30
1.5 집 적 회 로 (7)

MOS(Metal-Oxide Semiconductor)



MOS에는 전자와 홀의 두개의 반송자 중 하나의 반송자에
의하여 전류가 흐르는 단극성 트랜지스터가 사용되는
NMOS가 대부분이다.
정상동작을 위해 두개의 반송자를 쓰는 ECL과 TTL 게이트
의 쌍극 트랜지스터와 구별.
장점

주어진 칩 영역에 좀 더 많은 회로를 집적할 수 있는 고밀도 패
킹.
IC제조 기술이 좀더 간단하고 경제적.
전력소비가 쌍극성에 비해서 적다.
컴퓨터 구조론
31


1.5 집 적 회 로 (8)
소스
게이트
G1
산화 실리콘
드레인
드레인
n+
n+
채널
p형 실리콘 기판
게이트
G1
게이트
G2
소스
게이트 G 2
(a) n 채널 MOS구조
컴퓨터 구조론
(b) n 채널 MOS 기호
32
1.5 집 적 회 로 (9)

CMOS(Complemented Metal-Oxide Semiconductor)



주로 저 전력 소모가 요구되는 시스템에 사용.
회로의 밀도가 높고 제조 공정이 단순하며, 전력 소비가 적어 경
제적이다.
4000B series
V



HC series



DD
40xx, 45xx 로 시작하는 논리소자
속도가 느리고, 래치업이 자주 발생
입력
출력
High speed CMOS
LS TTL과 유사한 사양을 가짐
HCT series

컴퓨터 구조론
입력문턱 전압을 TTL 전위에 맞춘 것.
[ CMOS 기호 ]
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