Transcript 컴퓨터 시스템 개관

컴퓨터 시스템 개관
시스템 프로그래밍 - Lecture #1
신라대학교 컴퓨터공학과 시스템 프로그래밍
컴퓨터 시스템의 구성(1)

컴퓨터 시스템의 구성 요소


하드웨어(Hardware)
소프트웨어(Software)
 시스템 소프트웨어(System Software)
 미들웨어(Middleware)
 응용 소프트웨어(Application Software)

2
통신망(Communication Network)
신라대학교 컴퓨터공학과 시스템 프로그래밍
컴퓨터 시스템의 구성(2)
컴퓨터시스템
응용 소프트웨어
응용 소프트웨어
미들웨어
미들웨어
통신망
3
시스템소프트웨어
시스템소프트웨어
하드웨어
하드웨어
컴퓨터
컴퓨터
신라대학교 컴퓨터공학과 시스템 프로그래밍
하드웨어(Hardware)

논리회로 수준



보드(혹은 기능적인 요소) 수준




중앙처리장치
기억장치
입출력장치 등
시스템 수준


4
SSI(<10 gates/chip), MSI(<100)
LSI(<1000), VLSI(>10000)
마이크로컴퓨터, 워크스테이션
중형컴퓨터, 대형컴퓨터 등
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소프트웨어(Software)

시스템 소프트웨어(System Software)



5
운영체제, 어셈블러, 컴파일러, 유틸리티, 통신 프로토콜 등
미들웨어(Middleware)

통신, 데이터베이스 응용

사용자 인터페이스, 트랜잭션 처리, 분산지원(CORBA) 등
응용 소프트웨어(Appware)

산업, 비즈니스, 일반, 내장형 응용

컨텐츠(contents)와는 구별
신라대학교 컴퓨터공학과 시스템 프로그래밍
펌웨어




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Software stored in read-only memory (ROM) or
programmable ROM (PROM)
Easier to change than hardware but harder than
software stored on disk
Firmware is often responsible for the behavior of
a system when it is first switched on
A typical example would be a "monitor" program
in a microcomputer which loads the full operating
system from disk or from a network and then
passes control to it
신라대학교 컴퓨터공학과 시스템 프로그래밍
하드웨어와 통신망
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
용어 : 아키텍쳐 & 구조

하드웨어의 구성

중앙처리장치

기억장치

입출력장치

컴퓨터 통신망
신라대학교 컴퓨터공학과 시스템 프로그래밍
용어: 아키텍쳐 vs. 구조 (1)
(Architecture vs. Organization)

아키텍쳐 (Architecture)

세가지 의미
 명령어 집합(Instruction Set) + 입출력연결기능(I/O Capability)
 구조 (Organization, Structure)
 두개의 계층사이에서 위 계층에서 본 아래 계층의 기능적인 모양
 예: 하드웨어 아키텍쳐, 입출력 아키텍쳐 등
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응용 소프트웨어
CPU+기억장치
시스템소프트웨어
입출력 제어장치
하드웨어
입출력 하드웨어
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용어: 아키텍쳐 vs. 구조 (2)
(Architecture vs. Organization)


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구조 (Organization)

구현의 입장에서 본 컴퓨터의 논리적 혹은 물리적 블록과 그들
사이의 연결 형태

흔히 말하는 ‘컴퓨터 아키텍쳐’와 동일한 의미로 사용
구현 (Implementation, Realization)

실제로 구현된 상태

어떤 부품을 사용하여 주어진 구조의 명세를 구현하는가에
따라 달라진다
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용어: 아키텍쳐 vs. 구조 (3)
(Architecture vs. Organization)

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예:
피아노
시계
마이크로
프로세서
아키텍쳐
건반
시침/분침/초침
을 갖는 시계판
명령어셋 +
입출력 기능
구조
연주용
가정용
벽시계
손목시계
다른 구조를 갖는
마이크로
프로세스
구현
실제 사용된
부품
태엽
배터리
다른 논리회로나
반도체 집적 기술
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하드웨어의 구성(1)

폰 논이만 컴퓨터(Von Neumann Computer)

프로그램 내장형 컴퓨터

메모리에 명령어 및 데이터가 구분됨이 없이 같이 저장
 명령어의 실행으로 데이터를 처리

프로그램 카운터(PC)를 사용
 PC는 다음에 수행될 명령어의 위치를 가리키며, 명령의 인출 후에
자동적으로 증가

메모리는 데이터 저장 장소의 위치를 일련 번호(주소)에 의해
표시

참고: 하버드 아키텍쳐(Harvard Architecture)
 명령어와 데이터를 별도의 메모리에 저장하여 실행
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하드웨어의 구성(2)

기본 구성
자기디스크, 자기테이프 등
보조기억장치
CPU
입력장치
키보드, 마우스 등
출력장치
주기억장치
모니터, 프린터, 스피커 등
통신장치
통신망 접속 장치 등
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하드웨어의 구성(3)
Printer

기본 구성
Hard Disk
I/O Controller
CPU
I/O Controller
System Bus
Memory
Controller
Main Memory
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중앙처리장치(CPU) (1)

구성

산술논리 연산장치(ALU: Arithmetic Logic Unit)

제어 장치(Control Unit)

레지스터(Registers)
 프로그램 카운터(PC: Program Counter)
 상태 레지스터(Status Register)
 메모리 주소 레지스터(MAR: Memory Address Register)
 메모리 데이터 레지스터(MDR: Memory data register)
 명령 레지스터(IR: Instruction Register)
 범용 레지스터(General Purpose Register)
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중앙처리장치(CPU) (2)


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주요 기능

기억장치로부터 명령/데이터를 인출 및 저장

명령의 해석 : 제어장치

명령의 실행 : ALU

입출력 연산 : I/O Operations
마이크로프로세서의 경우

대부분 CPU를 한 개의 칩에 탑재

캐쉬 등의 다른 유닛도 포함
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중앙처리장치(CPU) (3)

명령 주기(Instruction Cycle)

명령 인출(Instruction Fetch)
 PC의 주소에 저장된 명령어를 인출하여 IR에 저장

명령 실행(Instruction Execution)
 IR의 명령어를 분석하여 요구하는 연산을 실행
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기억장치(1)


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명령 및 데이터의 저장장소

기본소자: 비트(bit)

기본 주소지정 단위: 바이트(byte)

기본 정보 단위: 워드(word)

주소(address), 위치(location), 내용값(contents)
주소공간(Address Space)

프로그램이 지정할 수 있는 단위 정보의 수

주소를 나타내기 위한 주소 비트의 수에 의해 결정

예: 주소 버스가 32 비트이면 232 = 4 GB
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기억장치(2)

기억장치의 계층 구조(Memory Hierarchy)
저장매체
일반적인 접근시간
데이터 처리율
CPU 레지스터
온칩 캐쉬
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캐쉬 메모리
10~30 nsec
주기억장치
50~100 nsec
디스크캐쉬
70~500 nsec
하드디스크
10~50 msec
600~6000 KB/sec
플로피디스크
95 msec
100~200 KB/sec
CD-ROM
100~600 msec
150~1000 KB/sec
테이프
0.5 sec 이상
5~20 KB/sec(cartridge)
0.2~3
MB/sec(real-to-real)
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입출력장치(I/O Devices)


종류

사용자 인터페이스용 입출력 장치

보조기억장치

통신장치

입출력 버스

다른 처리장치와의 접속장치
입출력 처리 장치

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입출력 연산을 전담
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컴퓨터 통신망(Computer Network)


구성

통신용 하드웨어

프로토콜 : 통신망 소프트웨어에 의해 구현
종류

유선 통신
 통신망(네트워크)
– 지역망(LAN: Local Area Network)
– 광역망(WAN: Wide Area Network)
 전화망
 케이블망

무선 통신
 무선지역망
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시스템 소프트웨어

하드웨어의 제어와 운영

프로그램의 작성과 처리
 컴파일러, 링크, 로더 등
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
운영체제

기타 시스템 소프트웨어
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하드웨어의 제어와 운영(1)

명제



주어진 기계를 어떻게 효율적으로 이용할 것인가?
하드웨어의 제어

프로그램에 의한 제어

프로그래밍 수단

프로그램의 작성과 처리
하드웨어의 운영

프로그램에 의한 처리장치, 메모리 등의 이용

운영체제
 하드웨어 시스템 구성 요소의 운영
 프로그램의 운영
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신라대학교 컴퓨터공학과 시스템 프로그래밍
하드웨어의 제어와 운영(2)

하드웨어의 동작 제어

기계 명령에 의한 제어
일련의 기계어 명령을 차례로 입력
명령을 분석하여 어떤 게이트를 제어할 것인지 결정
게이트를 제어할 제어신호의 생성
ALU내의 전하의 흐름을 제어
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프로그램의 작성과 처리(1)

프로그래밍 수단: 프로그래밍 언어

기계어(Machine Code) : 숫자
 단점 – 코딩의 어려움

어셈블리어(Assembly Language) : 문자의 사용
 좀 더 코딩하기 쉬운 방법
 CPU의 구조에 대한 이해를 요구하기 때문은 코딩 어려움이 상존

고급 언어(High-level Language) : 자연어에 가까운 언어
 더욱 코딩하기 쉬운 방법
 단점 – 직접적인 제어신호 생성 불가
비능률적인 기계어 프로그램 생성

프로그램 개발 및 실행 도구의 사용
 운영체제, 유틸리티, 언어번역 프로그램 등
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프로그램의 작성과 처리(2)

프로그램 처리 소프트웨어

인터프리터(Interpreter -해석기)
 고급언어 프로그램의 각 명령을 직접 해석하여 실행함

번역기(Translator)
 컴파일러(Compiler) :
– 고급언어의 원시모듈  기계어의 목적모듈
 어셈블러(Assembler)
– 어셈블리어의 원시모듈  기계어의 목적 모듈

링커(Linker)
 프로그램 모듈간의 연결

로더(Loader) – 적재기
 프로그램 실행을 위하여 주기억장치에 적재
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프로그램의 작성과 처리(3)

고급언어 프로그램의 실행 절차
소스 파일
a.c
b.c
d.c
Compiler
목적 파일
a.o
b.o
d.o
libs
linker
실행 파일
(Loadable File)
t.exe
loader
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Main
Memory
t.exe
CPU
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시스템 소프트웨어와
다른 구성 요소와의 관계
프로그래머
운영체제
프
로
그
램
실
행
환
경
제
공
프로그램 편집
에디터(편집기)
응용 프로그램
컴파일러
컴파일 & 링킹
기계어 프로그램
메모리에 적재
링커
로더
데이터 처리 장치
프로그램 실행
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운영체제 (1)

기능 및 특성

사용의 편의성 제공
 사용자-컴퓨터 인터페이스(HCI) 제공
 CUI or GUI

하드웨어 사용의 효율성 제고
 자원(CPU, 메모리, 입출력 장치 등)의 관리

상위 레벨 소프트웨어 운영 및 실행의 효율성 제고

적응성 지원
 새로운 컴포넌트나 시스템의 도입 허용
 개방형 시스템
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운영체제 (2)

구성

정적인 구성
 각종 기능을 갖는 프로그램의 집합
 프로세스 관리, 메모리 관리, 입출력 관리, 입출력장치 관리, 파일 관리,
초기화, 사용자 인터페이스 등

동적인 구성
 프로세스(Process) – 실행중인 프로그램
 프로세스 스케줄러(Process Scheduler)
– 프로세스가 일정한 순서대로 CPU에서 실행될 수 있도록 제어
 시스템 서비스
– 시스템 프로그램에서 제공하는 기능
 기타
– 초기화 , 입출력 등
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기타 시스템 소프트웨어 (1)



유틸리티(Utilities)

프로그램의 작성 및 실행을 지원

편집기, 디버거 등
라이브러리(Library)

그래픽, 통신, 기억공간관리 등의 기능을 수해하는 모듈의
집합체

프로그램 작성시에 라이브러리 루틴을 호출하여 실행

컴파일 또는 실행시에 링크
기타

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데이터베이스 관리, 그래픽, 통신 등의 기능을 수행하는 커널
수준의 독립된 프로그램
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기타 시스템 소프트웨어 (2)
사용자
매크로
프로세서
링커
로더
하드웨어
운영
체제
펌웨어
화일
시스템
사용자
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사용자
컴파
일러
어셈블러
응 용
램
프 로 그
사용자
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임베디드 시스템의 개요

마이크로프로세서 혹은 마이크로컨트롤러를
내 장 하 여 (embedded) 원 래 제 작 자 가 지 정 한
기능만을 수행하는 시스템

PC는 임베디드 시스템이라 하지 않는다

설계, 개발 시 고려사항
 Real-Time, Reactive
 Small Size, Low Weight
 Safe, Reliable
 Harsh Environment
 Cost Sensitivity
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임베디드 시스템의 활용

정보 가전 제품

핸드폰 및 PDA 다말기

공장 자동화 및 자동제어

첨단 특수 분야
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신라대학교 컴퓨터공학과 시스템 프로그래밍