1 장 마이크로프로세서 소개

1 장

마이크로프로세서 소개

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일반적인 컴퓨터와 마이크로프로세서의 차이점에 대해

알아보고 마이크로프로세서의 역사적인 배경에 대해

설명한다 .

이번 시간에는 ...

“Introduction to Microprocessor”에 대해

알아보겠습니다 .

학습개요학습개요

학 습 목 표학 습 목 표

• Computer 역사• 컴퓨터와 인간• 컴퓨터의 발전방향• Mini Computer• Microprocessor 출현• Microprocessor(CPU) 의 발전사• Intel 사의 Microprocessor 발전 현황

학 습 목 차학 습 목 차

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Computer Computer 역사역사

>> Computer 의 원조 : 기원전 3000 년 수판 ( 가 , 감 , 승 , 제 )

1) Computer 의 역사 _1

>> 17(1642) 세기 프랑스 Pascal : 탁상용 계산기 ( 기계식 adding machine)

•고대인들은 셈을 하기 위하여 손과 손가락을 사용

•땅에 적당한 깊이의 작은 구멍을 몇개 파고 , 그 안에 조약돌이나 조개껍질 등을 나타내고자 하는 수 만큼 담아서 표시

•또는 염주알 (beads) 이 쓰이기도 했으며 이는 후에 주판으로 발전

•주판은 기원전 3 천년 경에 메소포타미아 (Mesopotamia) 에서 쓰인 이래 세계 여러 나라에서 쓰이게 되었으며 , 지금까지도 일부 국가에서 사용

•파스칼 (Blaise Pascal : 1623-1662 : 프랑스 ) 은 수학자이면서 물리학자 , 철학자 , 종교사상가로서 1642 년에 가감산을 할 수 있는 계산기를 발명

•이 계산기는 0 에서 부터 9 까지 표시할 수 있는 10 개의 톱니를 가진 톱니바퀴가 여러 개 있어서 이들로써 가감산을 하도록 만들어 졌음 .

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>> 라이프니쯔의 계층통 (Leibniz's Wheel-1673)

1) Computer 의 역사 _2

>> 1822 영국 수학자 Babbage : 치차 계산기 ( 프로그램내장방식 제안 )

•라이프니쯔 (Gattfried Wilhelm von Leibniz : 1646-1716 : 독일 ) 는 당시 독일의 세계적인 철학자이며 수학자 , 물리학자로서 외교관이기도 했던 그는 가감산 뿐만 아니라 , 가산의 연속으로 승산을 할 수 있는 계층통을 만들었으나 제작과 사용의 불편으로 널리 쓰이지는 못함 .

•챨스 바베지의 해석기관 (Charles Babbage-Analytical Engine-1833) , 바베지 (Charles Babbage : 1791-1871 : 영국 ) 는 캠브리지 대학의 수학교수로 천문학 , 지질학 , 고고학 등 다른 학문에도 관심이 많았으며 , 특히 1823 년에는 계차법의 원리를 이용하여 다항식을 전개하는 계차 기관 (Difference Engine) 을 만들었고 1833 년에는 세계 최초의 자동계산기인 해석기관(Analytical Engine) 을 설계 ·제작함으로써 컴퓨터 개발에 큰 공적을 남김 .

•이 계산장치는 범용적인 자동 축차방식의 계산기로서 , 오늘날의 계산기와 비슷한 기억연산 , 제어 및 입출력의 기능을 갖도록 설계 되었으며 , 다음과 같은 4 개의 부분으로 이루어짐 .

•밀 (mill)/ 스토어 (store)/ 제어기구 /입출력기구


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>> 펀치 카드 시스템 (Punch card system)

>> 1946 미국 최초 전자계산 장치 ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Calculator) : 18,800 개 진공관

•미국 통계국의 홀러리스 (Herman Hollerith : 1860-1929) 박사가 고안하여 1890 년 미국여론조사에 사용함으로써 큰 효과를 본 자료분류 및 분석 시스템

•카드 분류기 (sorter) 와 회로개폐장치 (circuiting closing device) 및 기계적 계수기로 구성

Computer Computer 역사역사 1) Computer 의 역사 _3

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2) Computer 의 역사 요약

1642 프랑스 Pascal : 탁상용 계산기 ( 기계식 adding machine)

1801 Jacquard : 천공카드 ( 옷감에 무늬를 염색하기 위한 천공 카드 )

1822 영국 수학자 Babbage : 치차 계산기 ( 프로그램내장방식 제안 )

1946 미국 최초 전자계산 장치 ENIAC(Electronic Numerical Integrator and

Calculator)

: 18,800 개 진공관 1949 Stored-program 방식 (Program 내장방식 ) 채택 Von Neumann 이 EDSAC

개발

1 세대 (1954-59) 진공관 ENIAC, UNIVAC, EDVAC

2 세대 (1957-64) 트랜지스터 IBM1401

3 세대 (1960 년대 중반 ) 대규모집적회로 (LSI) IBM 360

4 세대 (1970 년대 초반 ) VLSI IBM 370

Computer 의 원조 : 수판 ( 가 , 감 , 승 , 제 )기원전

3000 년


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3) 세대별 소자 변천 과정

TR

IC

LSI

VLSI

진공관 2 세대

3 세대

4 세대

1 세대


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(Personal Digital Assistant)

컴퓨터의 분류 및 발전 방향

Computer Computer 의 발전 방향의 발전 방향

통신 접속성

NCNCNCNC

WorkstationWorkstationWorkstationWorkstationNetPCNetPCNetPCNetPC

PCPCPCPC

NotebookNotebookMainframeMainframeMainframeMainframe

SupercomputerSupercomputerSupercomputerSupercomputer

컴퓨팅 Power

ClientClient

• 수백 MIPS ~ GIPS (Million/Giga Instructions per Second)• 수백 Mega FLOPS ~ Tera FLOPS (Mega Floating-Point Operations per Second)

슈퍼컴퓨터

대형컴퓨터

소형컴퓨터

PDAPDAPDAPDA

EmbeddedEmbeddedsystemsystem

microprocessormicroprocessor

이동성

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Microprocessor Microprocessor 출현출현 Microprocessor 출현 배경

• 1969 년 인텔의 연구개발자 테드 호프 박사는 슈퍼컴퓨터의 중앙처리장치 (CPU) 를 대신할 수 있는 초소형 연산기에 대해 고민하고 있었다 .

• 때마침 인텔의 경영진들은 일본의 부지컴이라는 계산기를 만드는 전자회사로부터 전자식 탁상시계 CPU 를 12 개의 칩으로 만들어 줄 것을 요구받았다 .

• 그러나 인텔은 당시 자본금이나 연구인력이 적었기 때문에 12 개의 칩을 만드는 것은 상당히 어려웠다 .

• 생각 끝에 호프 박사는 부지컴이 요구한 기능을 하나의 실리콘 칩에 모두 집적화할 수 있는 방법을 고안해냈다 .

• 그러나 부지컴이 파산하면서 인텔의 경영진들은 고민 끝에 승부수를 던졌다 . ‘4004’ 를 독자 브랜드로 출시

• 이것이 바로 마이크로프로세서 (MPU:Micro Processor Unit) 의 출현 배경이다 .

테드 호프 (Ted Hoff)

들고 다니며 필요할 때마다

꺼내 계산할 수 있는 손바닥만한 작은 컴퓨터는

어떻게 만들까 ?

??

“

”

⊙ 칩 안에 컴퓨터가 있다’는 마케팅 전략을 세우고 공격적인 영업을 펼침⊙ 프로그램만 바꾸면 다양한 연산기능을 수행할 수 있고 전혀 다른 용도의 제품 개발이 가능하다는 장점이 알려지면서 이 조그만 마이크로프로세서는 폭발적인 인기를 얻었다

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http://www.digitalcentury.com/encyclo/update/hoff.html

History of microprocessor

4004

8008

8080

Z80

6800

6502

2300 개의 트랜지스터로 구성됐고 속도는 108㎑

1972 년 8 비트 마이크로프로세서 ‘ 8008’ 이 등장 , 4004 는 4040 으로

1973 년 8 비트 상용 제품인 ‘ 8080’ 개발 8080’ 이 본격적인 상용화

자일로그사 ‘ 8080’ 의 완전 상위호환 CPU 인 ‘ Z80’ 을 개발

⊙ ‘8080’ 은 버클리대학 컴퓨터공학과 교수였던 게리 킬달이 인텔에 입사하면서 개발한 전용 운용체계 CP/M 이 보급확대되면서 각종 연산기기의 CPU 로 널리 사용됐다

모토로라도 ‘ 6800’ 이라는 8 비트 마이크로프로세서를 개발

모스텍사도 자체 개발한 ‘ 6502’ 개발

마이크로프로세서 시장 경쟁체제 도입

Microprocessor(CPU) 의 발전사

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Microprocessor-based microcomputerMicroprocessor-based microcomputer

8086

8088

Z8000

68000

1978 년 16 비트 마이크로프로세서인 인텔의 ‘ 8086’

자일로그사 16 비트 ‘ Z8000’ 을 내놓았다

모토로라의 ‘MC68000’

⊙ 인텔은 자사의 칩을 활용한 새로운 개념의 컴퓨터에 대해서 고민 . 한 엔지니어가 인텔의 창시자인 고든 무어를 찾아와 일반가정에서도 사용할 수 있도록 키보드와 모니터를 장착한 컴퓨터를 내놓자고 제안했다 .

1981 년 인텔은 IBM 과 함께 16 비트 ‘ 8088’ 마이크로프로세서를탑재한 최초의 개인용컴퓨터 ‘ PC 5150’ 을 내놓으면서 PC혁명을 일으켰다 .

⊙ 인텔 마이크로프로세서와 IBM PC 그리고 MS 운용체계 호환이라는 세계 표준을 급부상 시키는 역할을 했다 .

⊙ 모토로라는 인텔의 공략에 대응하기 위해 91 년 애플 , IBM 과 공동으로 고성능 프로세서인 ‘파워 PC’ 개발에 돌입 , 독자적인 영역을 구축하기 시작했다

History of microprocessor

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4BIT 8BIT 16BIT 32BIT 64BIT

• 4BIT MICROCONTROLLER ◊ 1968 년

◊ 최초의 마이크로프로세서 4004 출시 ◊ 데이터 버스가 4 비트 .

◊ 2300 개의 트랜지스터로 구성되었다 .◊ CPU 의 속도는 108㎑◊ Intel 4004 LSI 기술 발전으로 소형계산기나 CRT 등의 주변장치 제어용으로 사용되었다

구조적인 특징 : 입력 데이터 버스선과 출력 데이터 버스선이 분리되어 있는 구조이다 .

연산장치

제어장치

Data Input Data A4 비트

Data Input Data B4 비트

Data Output 4 비트

4bit Microprocessor

Microprocessor(CPU) 의 발전사 Microprocessor(CPU) 의 발전사

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• 8BIT MICROPROCESSOR

◊ 1972 년 : 8008 출시

◊ data bus(8bit), address bus(16bit)

◊ CPU 종류 : Intel 8080,8085, Zilog-80, Motorola 6800, Apple 6502

애플 (APPLE) 컴퓨터 : 1980 년대에 전세계적으로 인기를 끌었던 8 비트 컴퓨터 (6502).

◊ 주로 제어목적으로 사용

구조적인 특징 : 입력 데이터 버스선과 출력 데이터 버스선이 동일한 버스를 사용하는 구조 .

Data Inputs/output

Data bus(8bit)연산장치

제어장치

8bit Microprocessor


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• 16BIT MICROPROCESSOR ◊ data bus(16bit), address bus(20bit)

◊ 1978 년 ◊ CPU 종류 : Intel 8086, 8088, Zilog Z8000, Motorola M68000

◊ 16 비트 CPU 는 16 비트 단위로 자료를 처리할 수 있다 . 덕분에 8 비트 컴퓨터에 비해서 상당한 성능 개선과 처리 용량의 향상이 이루어졌다 .

◊ 1980 년 최초의 16 비트 컴퓨터는 IBM PC XT 이다 .

◊ 인텔은 16 비트 프로세서인 8086 을 개발했으나 생산비의 상승 때문에 기능을 축소시킨 8088 을 만들었고 , 결국 IBM PC XT 에 8088 을 장착하게 되었다 ◊ 메모리 용량을 극복하기 위하여 세그먼트 (segment) 도입 ◊ 연산전용 보조 프로세서 (co_processor) 를 장착하여 연산기능 향상 ◊ 80286 은 한때 286 컴퓨터 (IBM AT (Advanced Technology, 6 or 8MHz)) 에 사용되었고 , 8086 에 비해서 4 배 가량의 성능 향상이 이루어진 제품으로 메모리 지원 강화 , 동시에 여러 작업을 수행할 수 있는 멀티타스킹 (multi-tasking) 지원이 가능해졌다 .

◊ 주로 개인용 컴퓨터로 사용


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구조적인 특징 : 연산전용 보조 프로세서 (co_processor) 를 장착하여 연산기능 향상

세그먼트 (segment) 도입멀티타스킹 지원가능


제어장치

16bit Microprocessor(8088,80286)


연산전용 프로세서 사용 (8087,80287)Co-processor 사용


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◊ 1985 년대 중반

◊ Intel 386(80386), 486(80486), 펜티엄 (Pentium), 펜티엄프로 , 펜티엄 II 는 모두 32비트 프로세서이다 . Z80000, M68020

◊ 80486(줄여서 486) 까지는 32 비트 단위로 자료를 처리할 수 있었지만 , 펜티엄에서는 32 비트 정수 연산기를 두 개 내장하고 있으므로 한번에 두 개의 자료를 동시에 처리할 수 있게 되었다 . 초기에는 펜티엄을 64 비트 프로세서라고 과장하는 경우도 있었지만 , 실제로는 32 비트 프로세서이다 .

◊ CPU 클럭 증가로 속도 향상 (33MHz 이상 )


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구조적인 특징 : 논리적 메모리 용량한계를 극복하기 위하여 가상메모리기법 도입



제어장치

32bit Microprocessor(80386)

Co-processor 사용

논리적 메모리 용량한계 극복

가상메모리 기법 도입

80387

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구조적인 특징 : RISC 기법 도입 , 속도 향상 5 단계 파이프 라이닝 기법



제어장치

32bit Microprocessor(80486)

Co-processor 사용

캐쉬메모리 탑재 속도 향상

가상메모리캐쉬 메모리

(32bit)

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구조적인 특징 : CPU 내부 버스를 64 비트로 확장 MMX 기법 도입



제어장치

32bit Microprocessor(586:Pentium)

Co-processor 사용

캐쉬메모리 탑재 속도 향상

가상메모리캐쉬 메모리

(64bit)

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◊ 한번에 64 비트로 자료를 처리 해서 성능 개선 .

◊ 워크스테이션 , 서버급으로 사용가능◊ IMB686, ALPHA CHIP 등

구조적인 특징 : 입출력 데이터 버스선이 64 비트로 구성됨



제어장치

Co-processor 사용 가상메모리캐쉬 메모리

(64bit)

64bit Microprocessor(PentiumII 이상 )

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Microprocessor Microprocessor 기본 구조 기본 구조

Micro Computer 기본구조

• Mini-computer 보다 더 적다는 표현으로 Micro 를 사용

CPU MEMORY I/O interface

주변장치 :보조기억장치

입력기기출력기기

Microprocessor (MPU or CPU)

Internal BUS

Control Arithmetic

( 연산장치 ) +, -, *, /(4칙연산 )

( 제어장치 ) 컴퓨터의 모든 기능 제어

Micro Computer

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Intel 사의 Microprocessor 발전 현황


Intel 4004 microprocessor(1971) 최초의 4 비트 마이크로프세서로서 2300 여 개의 트랜지스터로 구성되었으며 속도응 100㎑에 불과하였으며 , 마이크로프로세서라기 보다는 마이크로 콘트롤러 (microcontroller) 로 불리웠다

Intel 8008 microprocessor(1972)

8 비트 마이크로프로세서로서 4004 와 비교해서 수배 이상의 성능 향상을 이룬 제품으로 3,300 개의 트랜지스터가 집적되었다 .

Intel 8080 microprocessor(1974)

8 비트 마이크로프로세서로 서버클리 대학 컴퓨터공학과 교수였던 게리 킬달이 인텔에 입사하면서 개발한 전용 운용체계 CP/M 이 보급 확대되면서 각종 연산기기의 CPU 로 널리 사용되었으며 , 최초의 개인용 컴퓨터에 사용되었다

Intel 8086,8088 microprocessor(1978)16 비트 마이크로프로세서로서 IBM 사에서 IBM PC 는 이름으로 개인용 컴퓨터를 출시하였다 . 16비트의 내부 레지스터와 8 비트 데이터 버스 운영체제로 80 년대 초 16 비트급 개인용 컴퓨터를 주도한 XT급 IBM PC 로 사용되었다 . 이때 CPU 의 클럭은 4.77MHz 에서 8MHz 가지 향상되었다 . Intel 80286 microprocessor(1982)

16 비트 마이크로프로세서로서 IBM 사에서 IBM PC 는 이름으로 개인용 컴퓨터를 출시하였다 .

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Intel 386TM microprocessor(1985)

32 비트 마이크로프로세서로서 다중 작업 (multi tasking) 이 가능하였다 .

Intel 486TM DX CPU microprocessor(1989)연산전용 프로세서를 탑재하여 CPU 에서 연산하였던 복잡한 수학식을 전용프로세서가 분담하게리시간을 획기적으로 단축하였다 .

Intel Pentium Processor(1993)

사운드 , 화상 , 영상 등의 멀티미디어 처리 기능이 강화되어 개인용 컴퓨터의 성능을 향상 시켰다

Pentium Pro Processor(1995)

32 비트 서버와 워크스테이션급의 컴퓨터 기능이 가능하였으며 , 고속 computer-aided design, mnical engineering and scientific computation 등을 지원하고 , 속도를 높이기 위하여 캐쉬 메모리를 탑재하였다 .


Pentium II Processor(1997)

비디오 , 오디오 , 그래픽 데이터들을 효과적으로 처리하기 위하여 Intel MMX 기술을 도입하였다 .

Celeron Processor(1999)

Pentium II 에서 512KB L2캐쉬를 제거하여 제조 단가를 낮춘 보급형 CPU 로 개발하였다 .


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Pentium III Processor(1999)

3 차원 그래픽과 동영상을 더욱 빠르게 실행시킬 수 있는 새로운 명령어 체계인 KNI(Katmai New Instruction) 를 포함하고 있다 . CPU 와 메모리간의 데이터 접속속도가 빨라졌으므로 전체적으로 시스템 성능이 향상되었다

Pentium 4 Processor(2000)

1.5GHz 의 고속 CPU 로 강화된 온라인 게임 , 디지털 비디오 , 사진 , 음성인식 및 MP3 인코딩 등을 위하여 하이퍼 파이프라인형 기술이 도입되었고 , 빠른 실행 엔진 그리고 펜티엄 III 보다 3 배나 더 우수한 대역폭을 제공하는 32 비트 마이크로프로세서 기능들로 설계되었다

Itanium Processor(2001)

64 비트 EPIC 구조로 설계되어 다량의 데이터 세트와 계산 집약형 트랜젝션을 처리할 수 있는 개방형 플렛폼 솔루션을 제공한다

Microprocessor (MPU) 의 역사


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1 장 마이크로프로세서 소개