도 서 명 도 서 명 || IT CookBook, IT CookBook, 컴퓨터 구조와 원리컴퓨터 구조와 원리저 자 저 자 || 신종홍신종홍 , , 장선봉장선봉 , , 지인호 공저지인호 공저출 판 사 출 판 사 || 한빛미디어한빛미디어 (( 주주 )_)_http://www.hanb.co.kr

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컴퓨터 구조와 원리컴퓨터 구조와 원리

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2

1 장 . 컴퓨터 구조

다루는 내용 컴퓨터의 구성장치와 기본구조

정보의 표현과 저장

컴퓨터 구조의 발전과정

컴퓨터의 분류

3

Section 01 컴퓨터 구성 장치와 기본 구조

컴퓨터의 구성

[ 그림 1-1] 컴퓨터의 구성

4

하드웨어

중앙 처리장치중앙 처리장치 (CPU : Central Processing Unit)(CPU : Central Processing Unit)컴퓨터 시스템 전체를 제어컴퓨터 시스템 전체를 제어산술산술 ·· 논리 연산장치와 제어장치논리 연산장치와 제어장치 , , 레지스터로 구성레지스터로 구성

[ 그림 1-2] 중앙처리장치의 종류

5

중앙처리 장치 (CPU)

산술산술 ·· 논리 연산장치논리 연산장치 (ALU : Arithmetic Logic Unit)(ALU : Arithmetic Logic Unit)사칙 연산을 수행하는 산술 연산사칙 연산을 수행하는 산술 연산 (Arithmetic Operation)(Arithmetic Operation) 과 참과 과 참과 거짓을 판별하는 논리 연산거짓을 판별하는 논리 연산 (Logic Operation)(Logic Operation) 을 수행을 수행

제어장치제어장치 (Control)(Control)CPU CPU 내부에서 일어나는 모든 작업을 통제하고 관리내부에서 일어나는 모든 작업을 통제하고 관리적절한 순서로 명령을 꺼내고 명령을 해석하여 그 해석에 따라 적절한 순서로 명령을 꺼내고 명령을 해석하여 그 해석에 따라 컴퓨터 시스템의 적절한 부분으로 제어신호를 전달컴퓨터 시스템의 적절한 부분으로 제어신호를 전달

레지스터레지스터CPUCPU 내의 임시 저장장치내의 임시 저장장치

6

기억장치 (Memory Device)

[ 그림 1-3] 기억장치의 계층 구조

7

주기억장치

수행 프로그램과 수행에 필요한 데이터를 기억하고 있는 수행 프로그램과 수행에 필요한 데이터를 기억하고 있는 장치장치비교적 비교적 CPUCPU 에 접근 속도가 빠르며 많은 용량을 기억에 접근 속도가 빠르며 많은 용량을 기억RAM(Random Access Memory)RAM(Random Access Memory) 이 주로 사용 이 주로 사용

[ 그림 1-4] 주기억 장치

8

보조기억 장치

외부 기억장치외부 기억장치반영구적으로 데이터를 저장하고 보존반영구적으로 데이터를 저장하고 보존중앙 처리장치와 직접 정보를 교환할 수 없기 때문에 주 중앙 처리장치와 직접 정보를 교환할 수 없기 때문에 주 기억장치로 옮겨진 후 처리기억장치로 옮겨진 후 처리주억장치에 비해 가격은 저렴하고 저장 용량 또한 크지만 주억장치에 비해 가격은 저렴하고 저장 용량 또한 크지만 속도가 느린 단점속도가 느린 단점자기 테이프자기 테이프 , , 자기 디스크자기 디스크 , , 자기 드럼자기 드럼 , , 플로피 디스크플로피 디스크 , , CD-ROM, DVD, Flash Memory, CD-ROM, DVD, Flash Memory, 광 디스크 광 디스크

[ 그림 1-5] 여러 가지 보조 기억 장치 (HDD, DVD, CD)

9

입력장치입력장치 (Input Device)(Input Device)컴퓨터 프로그램과 데이터를 읽어 들이는 역할 컴퓨터 프로그램과 데이터를 읽어 들이는 역할

출력장치출력장치 (Output Device)(Output Device)컴퓨터 내부에서 처리된 결과를 사용자가 보거나 들을 수 있도록 컴퓨터 내부에서 처리된 결과를 사용자가 보거나 들을 수 있도록 하는 역할 하는 역할

입력장치와 출력장치

[ 그림 1-6] 다양한 입력장치( 마우스 , 키보드 , 스캐너 , 조이스틱 )

[ 그림 1-7] 출력 장치 ( 모니터 , 프린터 )

10

정보의 이동 방향과 정보처리의 종류를 지정하고 그러한 정보의 이동 방향과 정보처리의 종류를 지정하고 그러한 동작들이 일어나는 시간을 지정하는 명령들의 집합동작들이 일어나는 시간을 지정하는 명령들의 집합

시스템 소프트웨어시스템 소프트웨어 (System Software)(System Software)컴퓨터를 효율적으로 사용하기 위해 만들어진 소프트웨어컴퓨터를 효율적으로 사용하기 위해 만들어진 소프트웨어컴퓨터 시스템을 제어하고 운영하는 프로그램컴퓨터 시스템을 제어하고 운영하는 프로그램

응용 소프트웨어응용 소프트웨어 (Application Software)(Application Software)특정한 응용 분야에 사용하기 위해 개발된 소프트웨어특정한 응용 분야에 사용하기 위해 개발된 소프트웨어

소프트웨어 (Software)

11

컴퓨터에서 정보의 표현컴퓨터에서 정보의 표현22 진수로 자료를 표현진수로 자료를 표현데이터 데이터 11 비트를 기본으로 비트를 기본으로 0, 1 0, 1 두 개의 숫자로 표시두 개의 숫자로 표시nn 비트당 사용 가능한 비트당 사용 가능한 22 진수의 조합은 진수의 조합은 22nn 만큼의 조합을 가질 수 만큼의 조합을 가질 수 있다있다 . . 여기서 여기서 nn 은 비트의 수를 말한다은 비트의 수를 말한다 ..

비트 수가 늘어 나면 정보의 양이 많아 지지만 그만큼 저장해야 할 비트 수가 늘어 나면 정보의 양이 많아 지지만 그만큼 저장해야 할 데이터의 양도 증가데이터의 양도 증가

Section 02 정보의 표현과 저장

Bit 수 사용 가능한 2 진수 조합1 2

2 4

3 8

4 16

5 32

6 647 128

[ 표 1-1] 비트당 사용 가능한 2 진수의 조합

12

진법의 표기 방법

10 진법 2 진법 8 진법 16 진법0 0000 0 01 0001 1 12 0010 2 23 0011 3 34 0100 4 45 0101 5 56 0110 6 67 0111 7 78 1000 10 89 1001 11 9

10 1010 12 A11 1011 13 B12 1100 14 C13 1101 15 D14 1110 16 E15 1111 17 F

[ 표 1-2] 각 진법의 표기 방법

13

1010 진법진법 (Decimal notation)(Decimal notation)0~90~9 사이의 사이의 1010 개의 숫자를 사용하여 정보를 표현개의 숫자를 사용하여 정보를 표현1010 진수 진수 128128 의 표현의 표현 : 128 = 1×10: 128 = 1×1022 + 2×10 + 2×1011 + 8×10 + 8×1000

2 진법 (Binary notation)0, 10, 1 만 사용하여 정보를 표현만 사용하여 정보를 표현22 진수 진수 (1101)(1101)22 : (1101) : (1101)22 = 1×2 = 1×233 + 1×2 + 1×222 + 0×2 + 0×211 + 1×2 + 1×200

2233 에 있는 값을 에 있는 값을 MSB(Most Significant Bit)MSB(Most Significant Bit)

2200 위치에 있는 값을 위치에 있는 값을 LSB(Least Significant Bit)LSB(Least Significant Bit)

수의 진법

105 104 103 102 101 100

0 0 0 1 2 8

[ 표 1-3] 10 진수의 128 표현

25 24 23 22 21 20

0 0 1 1 0 1

[ 표 1-4] 2 진수 (1101)2 의 표현

14

88 진법진법 ((Octal notation))0~70~7 까지의 까지의 88 가지 숫자를 사용하여 정보를 표현가지 숫자를 사용하여 정보를 표현88 진수 진수 (27)(27)8 8 :(27):(27)88 = 2×8 = 2×811+7×8+7×800

1616 진법진법 (Hexadecimal notation)(Hexadecimal notation)0~90~9 까지의 까지의 1010 가지 숫자와 가지 숫자와 A,B,C,D,E,FA,B,C,D,E,F 의 여섯 가지 문자를 의 여섯 가지 문자를 사용하여 정보를 표현사용하여 정보를 표현1616 진수 진수 (12FF)(12FF)1616 : (12FF) : (12FF)1616 = 1×16 = 1×1633 + 2×16 + 2×1622+F×16+F×1611+ F×16+ F×1600

여기서 여기서 FF 는 는 1010 진수의 진수의 1515 에 해당에 해당

수의 진법

[ 표 1-5] 8 진수 (27)8 의 표현

[ 표 1-6] 16 진수 (12FF)16 의 표현

85 84 83 82 81 80

0 0 0 0 2 7

165 164 163 162 161 160

0 0 1 2 F F

15

1010 진수 → 진수 → 22 진수 변환진수 변환방법 방법 1) 1) 연속적인 연속적인 22 의 나눗셈과 나머지의 나눗셈과 나머지• 1010 진수 진수 128128 을 을 22 진수로 변환하는 과정진수로 변환하는 과정

방법 방법 2)2)• 1010n+2n+2 + 10 + 10n+1n+1 + 10 + 10nn 로 표현되는 수체계를 로 표현되는 수체계를 22n+2n+2 + 2 + 2n+1n+1 + 2 + 2nn 로 표현되는 로 표현되는

수체계로 변환수체계로 변환

간단한 진법 변환

2 128 --- 0

2 64 --- 0

2 32 --- 0

2 16 --- 0

2 8 --- 0

2 4 --- 0

2 2 --- 0

1

27 26 25 24 23 22 21 20

128 64 32 16 8 4 2 1

128(10

)

1 0 0 0 0 0 0 0

65(10) 0 1 0 0 0 0 0 1

38(10) 0 0 1 0 0 1 1 0

16

2 진수 → 10 진수 변환 1010 진수 → 진수 → 22 진수로 변환하는 과정의 역과정진수로 변환하는 과정의 역과정

27 26 25 24 23 22 21 20

10진수

128 64 32 16 8 4 2 1

1 0 0 0 0 0 0 0 128

0 1 0 0 0 0 0 1 65

0 0 1 0 0 1 1 0 38

간단한 진법 변환

17

Section 03 컴퓨터 구조의 발전과정

1 세대 컴퓨터

2 세대 컴퓨터

3 세대 컴퓨터

4 세대 컴퓨터

5 세대 컴퓨터

하드웨어특징 진공관 트랜지스터 집적회로 LSI VLSI

소프트웨어특징 일괄처리

다중프로그래밍 및 온라인

실시간 처리

시분할 처리인공지능전문가 시스템

인공지능병렬처리자연언어

처리

[ 표 1-7] 컴퓨터의 각 세대별 발전 과정

18

진공관을 이용하여 제작된 컴퓨터진공관을 이용하여 제작된 컴퓨터크기가 매우 크며크기가 매우 크며 , , 열 발생량이 많고 전력소모가 크다열 발생량이 많고 전력소모가 크다

기계어기계어 , , 어셈블리어 사용어셈블리어 사용

ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)

UNIAC(Universal Automatic Computer)UNIAC(Universal Automatic Computer)

폰노이만폰노이만 (Von Neumann)(Von Neumann)프로그램 내장의 개념프로그램 내장의 개념프로그램이 데이터와 함께 기억 장치에 저장프로그램이 데이터와 함께 기억 장치에 저장컴퓨터는 기억장치에 내장된 명령들을 읽어 수행컴퓨터는 기억장치에 내장된 명령들을 읽어 수행

1 세대 컴퓨터

19

진공관을 트랜지스터로 대체한 컴퓨터진공관을 트랜지스터로 대체한 컴퓨터기억 용량이 증대되었고기억 용량이 증대되었고 , , 연산의 속도가 빨라지고연산의 속도가 빨라지고 , , 크기를 작게 크기를 작게 하고하고 , , 열 발산과 전력 소모를 줄인 컴퓨터 열 발산과 전력 소모를 줄인 컴퓨터

FORTRAN, ALGOL, COBOLFORTRAN, ALGOL, COBOL등의 언어가 사용등의 언어가 사용

운영체제의 개발이 이루어지며운영체제의 개발이 이루어지며 , , 다중 프로그래밍이 가능 다중 프로그래밍이 가능

2 세대 컴퓨터

20

집적회로집적회로 (Integrated Circuit)(Integrated Circuit) 를 사용한 컴퓨터를 사용한 컴퓨터저렴한 가격과 컴퓨터의 소형화저렴한 가격과 컴퓨터의 소형화

소프트웨어 산업이 비중이 증가 소프트웨어 산업이 비중이 증가

시분할 처리를 통하여 멀티 프로그래밍을 지원시분할 처리를 통하여 멀티 프로그래밍을 지원

캐쉬 메모리캐쉬 메모리

IBM 360 IBM 360 시리즈시리즈 , UNIVAC 9000 , UNIVAC 9000 시리즈시리즈 , PDP-11 , PDP-11

3 세대 컴퓨터

21

고밀도 집적회로고밀도 집적회로 (LSI : Large Scale Integrated Circuit)(LSI : Large Scale Integrated Circuit) 을 을 기본소자로 하여 개발기본소자로 하여 개발

소형화와 저렴한 가격소형화와 저렴한 가격개인 컴퓨터개인 컴퓨터 (PC : Personal Computer)(PC : Personal Computer) 의 대중화의 대중화

기존 시스템에 비해 빠른 처리속도기존 시스템에 비해 빠른 처리속도 (ps : 10(ps : 10-12-12))

IBM 4300, 3030 IBM 4300, 3030 모델 모델

4 세대 컴퓨터

22

초고밀도 집적회로초고밀도 집적회로 (VLSI : Very Large Scale Integrated (VLSI : Very Large Scale Integrated Circuit)Circuit) 을 기본소자을 기본소자경영정보경영정보 , , 지식정보 시스템지식정보 시스템 , , 인공지능 신경망인공지능 신경망 , , 퍼지퍼지 , , 멀티미디어 가상현실을 목표멀티미디어 가상현실을 목표인터페이스를 좀더 인간에 편리하도록 구현인터페이스를 좀더 인간에 편리하도록 구현

GUI(Graphic User Interface) GUI(Graphic User Interface) 환경환경 , , 자동 번역시스템자동 번역시스템 , , 음성인식 음성인식 응용시스템 응용시스템

다중 프로세서를 사용한 병렬처리 컴퓨터 시스템다중 프로세서를 사용한 병렬처리 컴퓨터 시스템새로운 소자의 개발과 인공 지능의 연구새로운 소자의 개발과 인공 지능의 연구

5 세대 컴퓨터

23

처리 성능과 규모에 따른 분류처리 성능과 규모에 따른 분류

Section 04 컴퓨터의 분류

[ 그림 1-9] 처리 성능 및 규모에 따른 분류

24

마이크로 컴퓨터마이크로 컴퓨터 ((퍼스널 컴퓨터퍼스널 컴퓨터 ))가정용이나 작은 사업의 용도로 가격이 저렴하고 크기가 작다가정용이나 작은 사업의 용도로 가격이 저렴하고 크기가 작다 . .

Word Word 길이에 따라 구분하며길이에 따라 구분하며 , , 숫자가 클수록 처리 속도가 빠르숫자가 클수록 처리 속도가 빠르다다 ..

미니 컴퓨터미니 컴퓨터마이크로 컴퓨터와 슈퍼 컴퓨터 사이에 해당마이크로 컴퓨터와 슈퍼 컴퓨터 사이에 해당대용량의 주기억장치와 보조 기억장치대용량의 주기억장치와 보조 기억장치다수의 사용자들이 한 컴퓨터를 사용할 수 있고 빠른 주변 장치로 다수의 사용자들이 한 컴퓨터를 사용할 수 있고 빠른 주변 장치로 구성 구성 중소기업중소기업 , , 학교학교 , , 연구소들에서 주로 사용된다연구소들에서 주로 사용된다 ..

처리 성능과 규모에 따른 분류

25

메인 프레임 컴퓨터메인 프레임 컴퓨터 (Mainframe Computer)(Mainframe Computer)대용량의 저장 장치를 보유하여 다중 입출력 채널을 이용한 대용량의 저장 장치를 보유하여 다중 입출력 채널을 이용한 고속의 입출력 처리 능력을 보유고속의 입출력 처리 능력을 보유은행은행 , , 보험보험 , , 병원 업무 등의 분야에서병원 업무 등의 분야에서 , , 대규모 데이터 베이스 대규모 데이터 베이스 저장 및 관리 용으로 사용저장 및 관리 용으로 사용

슈퍼 컴퓨터슈퍼 컴퓨터복잡한 계산을 초고속으로 처리하는 초대형 컴퓨터로 가장 복잡한 계산을 초고속으로 처리하는 초대형 컴퓨터로 가장 빠르고 비싼 컴퓨터이다빠르고 비싼 컴퓨터이다 . .

강력한 병렬 처리를 지원하는 소프트웨어로 구성 강력한 병렬 처리를 지원하는 소프트웨어로 구성 원자력 개발원자력 개발 , , 항공우주항공우주 , , 기상 예측 등에서 사용 기상 예측 등에서 사용

처리 성능과 규모에 따른 분류

26

파이프라인 슈퍼 컴퓨터파이프라인 슈퍼 컴퓨터 (Pipeline supercomputer)(Pipeline supercomputer)하나의 하나의 CPU CPU 내에 다수의 연산 장치를 포함내에 다수의 연산 장치를 포함각 연산 장치는 고도의 파이프 라이닝 구조를 이용하여 고속 벡터 각 연산 장치는 고도의 파이프 라이닝 구조를 이용하여 고속 벡터 계산이 가능계산이 가능

대규모 병렬 컴퓨터대규모 병렬 컴퓨터 (massively parallel computer)(massively parallel computer)하나의 시스템 내에 상호 연결된 수백 혹은 수천 개 이상의 하나의 시스템 내에 상호 연결된 수백 혹은 수천 개 이상의 프로세스들을 포함프로세스들을 포함프로세서들이 하나의 큰 작업을 나누어서 병렬로 처리하는 구조프로세서들이 하나의 큰 작업을 나누어서 병렬로 처리하는 구조

구조에 따른 분류

Thank you