컴퓨터 구조2-1

• ​컴퓨터의 발전
• - 프로세서의 속도 즈악
• - 부품수의 감소
• - 기억장치 용량의 증가
• - I/O용량 및 속도 증가
• *​1세대 진공관
• ENIAC : 세계 최초의 일반 목적용 전자식 디지털 컴퓨터
• 폰노이만 기계 : EDVAC의 개발을 위해 폰노이만이 발표
• IAS컴퓨터 조직
• - 데이터와 명령어들을 저장하는 주기억장치(메인메모리)
• - 2진수 데이터를 처리할수있는 산술논리연산장치(ALU)
• - 기억장치에 있는 명령어들을 해석하고 수행하는 제어유닛(Control Unit)
• - 1000개의 저장장소를 가지고 있으며, 각 저장장소에는 40비트로 구성된 워드가 저장된다.
• -(a)수치워드 : 1비트 부호비트와 39비트 숫자비트
• -(b)명령어워드 : 8비트 opcode, 12비트 address비트가 왼쪽 오른쪽 대칭으로 존재
• - 기억장치 버퍼 레지스터(Memory Buffer Register:MBR) : 기억장치에 저장될 단어를 갖고 있거나, 기억장치로부터 읽혀질 단어를 저장하는데 사용된다.
• - 기억장치 주소 레지스터(Memory Address Register:MAR) : MBR로부터 쓰여지거나 읽혀질 단어의 기억장치 주소를 저장한다.
• - 명령어 레지스터(Instruction Register : IR) : 실행될 명령어의 8비트 연산코드를 저장한다.
• - 명령어 버퍼 레지스터(Instruction Buffer Register : IBR) : 기억장치로부터 읽혀진 단어의 우측에 위치한 명령어를 일시적으로 저장하는데 사용된다.
• - 프로그램 카운터(Program Counter :PC) : 기억장치로부터 읽혀질 다음 명령어의 주소를 저장한다.
• - 누산기(Accumulator:AC)와 Multipier Quotient(MQ) : 계산에 사용될 데이터와 ALU의 계산결과를 일시적으로 저장한다.
• IAS 동작 : 명령어 사이클을 반복적으로 수행하면서 동작한다.
• - 인출(Fetch) 사이클 : 다음에 실행될 명령어의 연산코드가 IR로 적재되고 주소부분은 MAR에 적재된다. 그 명령어는 IBR로부터 가져오거나 MBR에 단어를 적재함으로써 기억장치로부터 읽어온다음 IBR, IR 및 MAR로 보내진다.
• - 실행 사이클 : 연산코드가 IR에 있으면 수행된다. 제어회로(Control Circuit)는 연산코드를 해석하여 데이터를 이동시키거나 ALU에 의해 연산이 수행되도록 적절한 제어신호를 보냄으로써 명령어를 실행한다.
• IAS컴퓨터에 탑재된 명령어 분류
• - 데이터전송 : 기억장치와 ALU레지스터 사이, 또는 ALU내의 두 레지스터 사이에 데이터를 이동한다.
• - 무조건 분기(Unconditional Branch) : 제어유닛은 기억장치 내의 명령어들을 순서대로 읽어와서 실행하지만, 이 순서는 반복연산에 사용되는 분기명령어에 의해 변경될 수 있다.
• - 조건 분기 : 이 분기는 조건에 따라 일어날 수 있기때문에 결정지점을 둘 수 있게 한다.
• - 산술 : ALU에 의해 수행되는 연산들
• - 주소 수정(Address Modify) : ALU에서 주소를 계산하여 기억장치에 있는 명령어의 주소부분에 삽입되게 해주는 명령어. 이 명령어는 프록램에게 상당한 주소지정의 융통성을 가질 수 있게 한다.
• 상용 컴퓨터들
• - 1950년도 인구계산을 위해 UNIVAC 1 제작
• - 1950년도 후반 UNIVAC 2 제작
• * 제2세대 : 트랜지스터
• 진공관보다 작고 싸며 더 적은 열을 발산하지만 같은 기능을 한다.
• 1947년 벨 연구소에서 발명
• 1957년 DEC가 설립되어 PDP-1 제작
• 데이터 채널 : 자체 프로세서와 명령어를 가진 독립적인 입출력 모듈이다
• - CPU와는 독립적으로 일을 수행하며, 수행이 끝나면 CPU에 신호를 보내는데, 이 방식이 CPU의 부담을 줄여줌
• - 멀티플렉서 : 데이터 채널과 CPU 및 기억장치 사이를 연결해주는 장치
• * 제 3세대 : 집적회로
• 1958년 집적회로(IC) 발명
• 미세 전자공학(Microelectronics)
• - 게이트 : 단순한 부울 또는 논리함수를 수행하는 장치
• - 기억소자 : 데이터 한 비트를 저장할 수 있는 장치
• 컴퓨터의 네가지 기본적인 기능
• - 데이터 저장(Data Storage) : 기억 소자들에 의해 제공되는 기능
• - 데이터 처리(Data Processing) : 게이트들에 의해 제공되는 기능
• - 데이터 이동(Data Movement) : 구성요소들 사이의 통로들은 게이트를 통하여 데이터를 기억장치로부터 다른 기억장치로 이동시키는데 사용됨
• - 제어(Control) : 구성요소들 ㅏㄴ의 통로를 통하여 제어신호를 보낼 수 있다.
• 무어의 법칙 : 하나의 칩에 집적될 수 있는 트랜지스터 수가 매년 두배로 증가한다.
• IBM System/360
• - 산업체에서 개발한 최초의 컴퓨터계열
• - 유사한 혹은 동일한 명령어 : 대부분의 경우에 동일한 명령어 세트가 계열의 모든 모델에서 통용된다. 따라서 한 기계에서 실행되는 프로그램이 다른 기계에서도 실행될 수 있다
• - 유사한 혹은 동일한 운영체제(OS) : 동일한 기본 운영체제가 모든 모델에서 사용된다.
• - 속도향상 : 상위모델로 갈수록 실행속도가 향상된다.
• - I/O포트 수의 증가 : 상위모델로 갈 수록 포트의 수가 증가된다.
• - 기억장치 용량의 증가 : 상위모델로 갈수록 기억장치 용량이 증가함
• - 가격상승 : 상위모델로 갈수록 가격이 높아짐
• DEC PDP-8
• - 가격이 저렴
• - 버스구조사용(옴니버스)
• *이후세대들
• 마이크로 프로세서
• - 인텔 4004: 1971년 개발, 마이크로 프로세서 시작점
• *성능을 위한 설계
• 마이크로프로세서 기반 시스템들의 성능을 필요로 하는 응용들에는 다음과 같은 것들이 존재
• - 영상처리
• - 음성인식
• - 화상회의
• - 멀티미디어 제작
• - 파일들에 대한 음성 및 미디어 주석
• - 시뮬레이션 모델링
• 마이크로 프로세서의 속도, 현대 프로세서에 적용되는 기술
• - 분기예측(Branch Prediction) : 프로세서는 소프트웨어를 미리 살펴보아서 어떤 분기들 혹은 명령어 그룹들이 다음에 처리될 것인지 예측한다.
• - 데이터 흐름분석(Data Flow Analysis) : 프로세서는 명령어들 사이의 결과값 혹은 데이터 의존성을 분석함으로써 명령어들의 최적 실행 스케줄을 찾아낸다.
• - 추측 실행(Speculative Execution) : 분기예측과 데이터 흐름 분석을 이용하는 어떤 프로세서들은 명령어들이 프로그램 실행과정에서 실제 나타나기전에 미리 명령어를 실행하기도 한다. 이때 결과값들은 임시장소에 저장된다.
• 프로세서의 능력이 매우 빠른 속도로 발전하고 있는 반면, 컴퓨터의 다른 주요 부품은 그에 따라가지 못하고 있다.
• 해결법
• - DRAM들을 더 넓게 함으로써, 그리고 넓은 데이터 통로를 사용함으로써 한번에 인출가능한 비트수 증가
• - DRAM칩상에 캐시나 다른 버퍼링 방식을 포함시킴으로써 DRAM인터페이스를 더 효율적으로 바꾼다.
• - 프로세서와 주기억장치 사이에 복잡하고 효율적인 캐시조직을 배치함으로써 기억장치 액세스의 빈도를 줄인다.
• - 프로세서와 기억장치 사이에 더 빠른 소곧의 버스들을 사용하거나 계층적 버스들을 사용하여 데이터흐름을 조직화함으로써 상호연결대역폭 증가
• 프로세서의 속도를 높이기 위한 방법
• - 프로세서의 하드웨어 속도를 증가시킨다. 이러한 증가는 근본적으로 프로세서 칩상의 논리게이트들의 크기를 줄여서 더 많은 게이트들을 더욱 조밀하게 넣고 클록속도를 높이면 가능
• - 프로세서와 주기억장치 사이에 존재하는 캐시의 크기와 속도를 증가시킨다.
• - 명령어 실행속도를 높일 수 있도록 프로세서조직과 구조를 바꾼다.
• 클록속도와 회로밀도 증가로 발생하는 문제
• - 전력 : 칩내부회로의 밀도와 클록속도가 높아짐에 따라, 전력밀도도 높아진다.
• - RC지연 : 칩상에서 트랜지스터들간에 흐르는 전자들의 속도는 그들을 연결해주는 금속선들의 저항과 캐피시스턴스에 의해 제한된다.
• - 기억장치지연 : 기억장치속도는 프로세서 속도보다 떨어진다.
• 파이프라이닝 : 여러단계들에서 서로 다른 명령어들이 동시에 실행되게 해준다.
• 슈퍼스칼라 : 하나의 프로세서 내부에 여러개의 파이프라인들을 두어서 서로 의존관계 없는 명령어들을 병령로 실행되게 해준다.
• - 하나의 복잡한 프로세서를 사용하기 보다는 칩내에 더 간단한 두개의 프로세서를 사용한다
• 인텔 x86 : CISC기술 사용(복합명령어세트컴퓨터)
• ARM : RISC 기술 사용
• - 임베디드 시스템 : 특정 기능을 수행하기위해 설계된 컴퓨터 하드웨어와 소프트웨어 및 추가적인 기계 혹은 기타 부품들의 결합체