3장

컴퓨터 구조

본체 내부

컴퓨터배움터

2

컴퓨터 구조: 외부적 관점 모니터

키보드와 마우스

컴퓨터 케이스

CPU (central processing unit) 케이스 안의 메인보드 또는 마더보드에 존재

수천만개의 트랜지스터로 만들어짐

컴퓨터의 모든 처리를 수행하는 곳

컴퓨터배움터3

그림 3-1 일반적인 개인용 컴퓨터 시스템

컴퓨터배움터4

그림 3-2 컴포넌트의 이름이 표시된 메인 보드

디지털 논리 회로

컴퓨터배움터

5

논리 회로 트랜지스터 구성의 다음 단계

부울 대수 표현 기능

부울 대수 이진 입력과 출력의 관계를 기술

기본 연산자: AND, OR, NOT 부울 대수의 값은 참(1), 거짓(0) 부울 수식은 부울 연산자와 이진 값으로 이루어짐

디지털 논리 회로(계속)

컴퓨터배움터

6

진리표

부울 수식을 표를 사용하여 표현한 것

행은 가능한 모든 입력의 조합을 나타냄

2n 개의 행은 n 개의 입력이 필요 (n이 양수일 경우)

예: 2개의 입력은 4개의 행을 나타냄 2 2 = 4

디지털 빌딩 블록

컴퓨터배움터

7

회로 계층

게이트: 부울 논리를 구현하기 위해 컴퓨터에 있는 트랜지스터 기반회로

게이트의 조합으로 컴퓨터가 만들어짐

기본 게이트 6가지

AND, OR, NOT (기본 게이트)

NAND, NOR, XOR (AND, OR, NOT으로 구성)

디지털 빌딩 블록 (계속)

컴퓨터배움터

8

AND 게이트 두 개의 입력과 하나의 출력으로 구성

진리표는 AND 부울 연산자의 진리표와 동일

그림 3-7 AND 게이트에 대한 기호와 진리표

디지털 빌딩 블록 (계속)

OR 게이트 두 개의 입력과 하나의 출력으로 구성

진리표는 OR 부울 연산자의 진리표와 동일

컴퓨터배움터

9

그림 3-8 OR 게이트에 대한 기호와 진리표

디지털 빌딩 블록 (계속)

컴퓨터배움터

10

NOT 게이트 하나의 입력과 하나의 출력으로 구성

진리표는 NOT 부울 연산자의 진리표와 동일

그림 3-9 NOT 게이트에 대한 기호와 진리표

디지털 빌딩 블록 (계속)

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11

NAND 게이트 AND 게이트의 출력을 받아서 NOT을 사용하여 반대로

만든 것

출력은 AND 게이트의 출력과 정확히 반대

그림 3-10 NAND 게이트에 대한 기호와 진리표

디지털 빌딩 블록 (계속)

NOR 게이트 OR 게이트의 출력을 받아서 NOT을 사용하여 반대로

만든 것

출력은 OR 게이트의 출력과 정확히 반대

컴퓨터배움터

12

그림 3-11 NOR 게이트에 대한 기호와 진리표

디지털 빌딩 블록 (계속)

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13

XOR 게이트

Exclusive OR 입력이 서로 다르면 출력이 1

그림 3-12 XOR 게이트에 대한 기호와 진리표

게이트 행동

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게이트의 예측

진리표로 예측 가능

복잡한 회로

컴퓨터배움터

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4개의 주요 회로

가산기, 디코더, 시프터, 플립-플롭

기본 게이트의 조합

가산기

기능: 두 개의 이진수를 더해서 결과를 생성

입력: 더할 두 개의 비트 (x, y) 와 한 개의 캐리-인 (ci)

출력: 더해진 비트 (s) 와 하나의 캐리-아웃 (co)

컴퓨터배움터16

그림 3-14 캐리-인과 캐리-아웃을 가진두 비트를 더하는 진리표

입 력 출 력

컴퓨터배움터17

그림 3-15 가산기 회로

폰 노이만 구조

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다음과 같은 특성을 가지는 다목적 기계:

메모리로부터 이진 명령을 가져와서 순차적으로 처리한 다음 그 명령을 실행

명령과 데이터는 모두 주기억 장치 시스템에 저장

명령 실행은 중앙 처리 장치(CPU)에 의해 수행

폰 노이만 구조 (계속)

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19

CPU 의 구성:

제어 장치 (CU)

연산 장치 (ALU)

레지스터 (소형 기억 장치).

CPU는 외부 장치로부터 입력을 받아들일 수 있고출력을 제공할 수 있는 능력을 가지고 있다.

컴퓨터배움터20

그림 3-19 폰 노이만 구조

폰 노이만 구조 (계속)

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21

일반적인 인출-실행 사이클 :1. 프로그램 계수기(counter)가 가르키는 명령어 인출

(fetch) 2. 명령어 해석(decode)3. 필요한 다른 데이터도 메모리로부터 인출

4. 명령을 실행한다.

폰 노이만 구조 (계속)

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22

크리스탈 (시스템) 클록은 인출-실행 사이클에있는 각각의 단계를 동기화 한다. 컴퓨터는 종종 이러한 클록 속도로 불리어 진다. 예: 펜티엄 IV, 3GHz / 매초마다 30억 개의 인출-실행

단계를 완료하고 있다.

버스

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버스: 데이터 전송에 필요한 전선

세 가지 신호 그룹으로 나눌 수 있다: 제어

주소

데이터

오늘날 버스의 기준: PCI (Peripheral Component Interconnect)

주변 장치 버스

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SCSI: Small Computer System Interface

다양한 유형의 I/O 장치를 컴퓨터와 연결시키는데 사용

버스 마스터링은 두 장치가 서로 통신하는 동안 CPU가다른 과제를 수행하도록 해 준다.

저장 장치

컴퓨터배움터

25

저장 장치: 프로그램과 데이터를 저장하는데 사용되는 컴포넌트의 구성원

저장 장치 계층

주 기억 장치

보조 기억 장치 (대량 저장 장치)

메모리

컴퓨터배움터

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두 가지로 구분 ROM (read-only memory)칩에 영구적으로 새겨짐일반적으로 수정이 불가능

BIOS (basic input/output system) 에 사용

RAM (random access memory) 메모리 직접 접근 가능

읽기, 쓰기 허용

휘발성

CPU는 RAM에서 프로그램을 인출하여 실행

메모리 (계속)

컴퓨터배움터

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RAM의 종류

DRAM (Dynamic RAM) 비트당 하나의 트랜지스터를 사용한 회로로 만들어짐

저장된 데이터를 유지하기 위해 계속적으로 데이터를새롭게 하는 것이 필요

접근 시간은 10-70ns의 범위

SRAM 플립-플롭 회로를 사용하여 만들어짐

모든 메모리 유형 중에서 가장 빠르다

CPU의 레지스터나 캐시 메모리에만 사용

대용량 저장 장치

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보조 기억 장치 특성

RAM이나 ROM에 비해 훨씬 많은 저장 용량

하드 드라이브나 CD-ROM과 같은 장치를 사용

메가바이트 당 가격이 훨씬 저렴

비휘발성

RAM과 ROM에 비해 느림

대용량 저장 장치 (계속)

컴퓨터배움터

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하드 드라이브

대용량 저장 장치 중에서 가장 널리 사용되는 형태

자기 입자로 구성된 하나 이상의 금속 원반

트랙이라고 불리는 동심원의 집합

트랙은 섹터로 나누어짐

원반은 보통 1분에 7200 회전 정도로 빠르게 회전

판독/기록 헤드는 디스크 표면의 특정 지역에 위치

RAM에 비해 비교적 저렴

RAID (Redundant Array of Independent Discs)

대용량 저장 장치 (계속)

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광학 저장 장치 널리 사용되는 장치: CDs (compact disks) 와 DVDs

(digital video disks) 광학(빛) 기술을 사용하여 데이터를 저장 CD의 표면에 미세한 홈을 만드는 레이저를 사용

디스크의 안쪽에서부터 바깥쪽으로 연속적인 나선형을이루며 기록

하드 디스크와 마찬가지로, CD도 회전

판독/기록 헤드는 디스크 표면의 특정 지역에 위치

저장 비용이 저렴

회전 구동 방식

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등선 속도(Constant Linear Velocity) 방식 : CD-ROM

등각속도(CAV) 방식 : 하드디스크

대용량 저장 장치 (계속)

컴퓨터배움터

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플래시 (엄지손가락) 드라이브

USB(universal serial bus)에 꽂는 이동식 저장 장치

플로피 드라이브를 대체

비휘발성

입/출력 장치

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폰 노이만 구조에 있는 마지막 컴포넌트

I/O 장치는 컴퓨터를 사용자와 연결시켜 준다

입력 장치

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키보드 대부분의 컴퓨터 시스템에서 주 입력 장치

키보드 제어 회로와 시스템 버스를 통해 CPU와 연결

마우스 키보드와 함께 사용

이동을 감지하여 감지된 이동을 이진 코드로 변환

다른 장치: 트랙볼, 스타일러스, 터치 패드/스크린

출력 장치

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외부 세계와 통신하는 능력

모니터 CRT (cathode ray tubes)래스터 스캐닝 기술 사용

디스플레이의 질은 해상도와 주사율에 의해 정의

LCD (Liquid Crystal Display) CRT 디스플레이에 비해 훨씬 얇고, 열이 덜 발생

전압이 걸리면 빛을 막는 소형 트랜지스터를 사용

디스플레이의 질은 해상도와 주사율에 의해 정의

LED (Light Emitting Diode)

출력 장치 (계속)

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프린터 중요한 출력 장치

주요 종류: 잉크젯과 레이저 프린터

프린터 출력의 질은 수평과 수직 방향 모두에 대한 해상도로 측정

사운드 카드 메인 보드에 있는 PCI 버스 확장 슬롯에 장착

저장 장치에 저장할 수 있도록 사운드를 디지털화하고, 이진 사운드 파일을 읽어서 그것을 다시 아날로그 사운드로 변환

인터럽트와 폴링

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입출력 처리- 두 가지 기법 제공

폴링: CPU가 I/O 장치에 요청이 있는지 질문

인터럽트 처리: 서비스의 요청에 따라 CPU가 반응