컴퓨터구조 1-7주차

메가존아이티평생교육원 컴퓨터구조 참고

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컴퓨터시스템의 구성

• 하드웨어
  • 5대 기능: input(입력), process(연산, 제어), storage(저장), output(출력)
  • 중앙처리장치 CPU central processing unit
    • 연산장치 ALU arithmetic logic unit
      • 산술연산과 논리연산을 수행하는 계산기
        • 산술연산: 사칙연산
        • 논리연산: 참과 거짓을 판별하는 연산
    • 제어장치 CU control unit
      • CPU 내부에서 일어나는 모든 작업을 통제 및 관리하는 지휘자
      • 명령어를 해석하고, 필요한 곳으로 제어 신호를 전달함
    • 레지스터 register
      • CPU가 데이터를 처리할 때 사용하는 빠르고 임시적인 작업 공간
  • 기억장치 memory device
    • 주기억장치 main memory = RAM random access memory
      • CPU가 직접 데이터를 가져와 처리하는 공간
      • 프로그램이 실행될 때 필요한 데이터와 명령어가 여기에 올라옴!
    • 보조기억장치 secondary memory
      • 데이터와 프로그램을 영구적으로 저장하는 공간
      • CPU와 직접 소통이 불가하기 때문에, CPU를 통해 해결해야 하는 일이 있다면 활용할 데이터를 주기억장치로 옮긴 후 처리해야 함
      • 예) 자기 테이프, 자기 디스크, 자기 드럼, 플로피 디스크, 하드 디스크 ...
  • 입출력장치
    • 입력장치 input device
    • 출력장치 output device
• 소프트웨어
  • 시스템 소프트웨어 system software
    • 여러 컴퓨터 시스템에서 공통적으로 필요한 프로그램
      • 운영체제 OS operating system
      • 컴파일러
      • 입출력 제어 프로그램
  • 응용 소프트웨어 application software
    • 특정한 응용 분야에서 특수 목적을 위해 사용하는 프로그램
    • 예) 사무 자동화 프로그램 OA, 인터넷 웹 브라우저

컴퓨터의 분류

• 사용 목적에 따른 분류
  • 전용 컴퓨터 special purpose computer
    • 특정 목적을 위해 만들어진 컴퓨터 
    • 예) 군사용 컴퓨터
  • 범용 컴퓨터 general purpose computer
    • 다양한 목적에 활용 가능한 컴퓨터
• 사용 데이터에 따른 분류
  • 아날로그 컴퓨터
    • 온도, 압력처럼 연속적인 데이터를 처리함
  • 디지털 컴퓨터
    • 0과 1, 불연속적인 데이터를 처리함
  • 하이브리드 컴퓨터
    • 아날로그와 디지털의 장점을 취해, 어떤 종류의 데이터도 처리 가능
• 처리 능력에 따른 분류
  • 마이크로 컴퓨터 micro computer
    • 마이크로 프로세서를 사용
    • 주로 개인이 사용
    • 예) desk-top, lap-top, palm-top, personal digital assistant, smart phone, tablet PC
  • < 워크스테이션 workstation
    • 주로 UNIX 계열의 운영체제 사용
    • 주로 전문적인 작업(그래픽, 공학 설계 등)에 사용
    • 대형 컴퓨터나 슈퍼 컴퓨터와 연결하여 업무 처리
  • < 중형 컴퓨터 mini computer
    • 주로 기업이나 단체의 부서 단위에서 사용
  • < 대형 컴퓨터 mainframe computer
    • 다수의 단말기를 연결해 온라인 업무나 분산 처리 업무에 사용
  • < 슈퍼 컴퓨터 super computer
    • 원자력 개발, 항공우주, 기상 예측 분야에서 사용
• 구조에 따른 분류
  • 파이프라인 슈퍼 컴퓨터 pipeline super computer
    • 하나의 CPU 내에 다수의 연산장치를 포함
    • 각 연산장치는 파이프 라이닝 구조로 고속 벡터 계산 가능
  • 대규모 병렬 컴퓨터 massively parallel computer
    • 하나의 시스템 내에 상호 연결된 수백 혹은 수천 개 이상의 프로세스들을 포함
    • 프로세서들이 하나의 작업을 나누어서 병렬로 처리하는 구조

정보의 표현

• 단위
  • 비트 bit
    • 컴퓨터에서 사용하는 최소 단위
    • 0 또는 1
  • 니블 nibble = 4bit
  • 바이트 byte = 8bit
    • 의미를 갖는 최소 단위
    • 저장장치의 용량 단위
      • byte(B), kilo byte(KB), mega byte(MB), giga byte(GB), tera byte(TB) → 1024배씩 커짐
  • 워드 word = 주로 32bit
    • 컴퓨터가 한 번에 처리할 수 있는 최소 단위
    • 컴퓨터 종류에 따라
      • half word: word = 16bit
      • full word: word = 32bit
  • 수의 진법
    • 10진법 decimal notation
      • 10진수의 한 자리는 최소 4bit가 있어야 표현 가능 (하지만 9가 한 자리를 차지하는 가장 큰 수인 만큼, 4bit를 효율적으로 사용하지 못함)
    • 2진법 binary notation
    • 8진법 octal notation
    • 16진법 hexademical notation
    • 진법 변환 방법 ★

• 데이터의 2진수 표현
  • 부호화-크기 표현 방식
    • 최상위 비트로 부호를 표현: 0은 양수, 1은 음수
    • 나머지 비트로 수의 절대 크기를 표현
    • 한계점: 0을 표현하는 방법이 두 가지 (∵ 0은 음수로도 양수로도 표현 가능하기 때문)
  • 1의 보수 표현 방식
    • 음수인 경우에는 모든 비트들을 반전
    • 한계점: 0을 표현하는 방법이 두 가지 (∵ 0은 음수로도 양수로도 표현 가능하기 때문)
  • 2의 보수 표현 방식
    • 음수인 경우에는 모든 비트들을 반전하고 1을 더함
    • 2의 보수로 표현된 음수를 10진수로 변환하려면 똑같이 → 모든 비트들을 반전하고 1을 더함, 마지막에 음수 부호 붙여주면 됨!
    • 음수는 항상 첫 비트가 1
    • ★ n개의 비트로 나타낼 수 있는 숫자는 2^n개! -2^(n-1) ~ 2^(n-1) - 1
• 비트 확장 bit extension
  • 부호화-크기 표현의 비트 확장
    • 부호 비트를 확장되는 최상위 자리로 이동시키고, 나머지 새로 확장되는 크기 비트들은 0으로 채움
    • 예) 8bit를 16bit로 비트 확장하는 경우, 00010101 → 0000000000010101
  • 2의 보수 표현의 비트 확장
    • 확장되는 상위 비트들을 부호 비트와 동일한 값으로 채움
    • 예) 8bit를 16bit로 비트 확장하는 경우, 11101011 → 1111111111101011

보수

• 보수 complementary number
  • 음수를 표현하는 데에 활용
  • n 진법에서는
    • n-1의 보수와 n의 보수(진보수)가 있음
      • 예) 10진법에서는 9의 보수와 10의 보수가 있다.
    • n-1의 보수: 둘을 더해 각 자리가 n-1이 되도록
      • 예) 10진수 237에 대한 9의 보수는 999-237=762
    • n의 보수: 둘을 더해 각 자리마다 자리올림이 발생하도록
      • 예) 10진수 237에 대한 10의 보수는 1000-237=763
      • n의 보수 = n-1의 보수 + 1

2진수의 산술연산

• 문제
  • 오버플로우 상태: 연산 결과가 표현할 수 있는 범위를 초과하여 결과값이 틀리게 되는 상태
  • 특시 소수 계산 시,
    • 지수 오버플로우 exponent overflow: 양의 지수값이 최대 지수값을 초과하는 오류
    • 지수 언더플로우 exponent underflow: 음의 지수값이 최대 지수값을 초과하는 오류
    • 가수 오버플로우 mantissa overflow: 같은 부호를 가진 두 가수들을 덧셈했을 때 올림수가 발생하는 경우
      • 재조정 realignment 과정을 통해 정규화로 해결
    • 가수 언더플로우 mantissa underflow: 가수의 소수점 위치 조정 과정에서 비트들이 가수의 우측 편으로 넘치는 경우
      • 반올림 rounding으로 해결

논리 연산

• 논리 연산: 주어진 명제에 대해서 참 또는 거짓을 결정하는 연산
• 기본 논리 연산
  • AND, OR, NOT, XOR (입력이 모두 동일한 경우에만 0을 출력하고, 나머지 경우에는 1을 출력)
• 응용 논리 연산
  • 마스크 mask 연산: 원하는 위치의 비트들을 선택적으로 0으로 clear한 mask와 AND 연산을 수행
  • 선택적-세트 selective-set 연산: 원하는 위치의 비트들을 선택적으로 1로 설정 후 OR 연산을 수행
  • 선택적-보수 연산: 원하는 위치의 비트들을 선택적으로 1로 설정 후 XOR 연산을 수행
    • 특정 위치에 있는 비트들을 반전시키고 싶을 때 활용!
  • 삽입 연산: 마스크 연산과 선택적-세트 연산을 순차적으로 수행
    • 특정 위치에 새로운 비트 값을 삽입하고 싶을 때 활용!
  • 비교 연산: XOR 연산을 활용해 구현, 결과가 모두 0이면 두 데이터가 동일하다는 뜻
  • 순환 이동 rotate shift 연산: 최상위 또는 최하위에 있는 비트가 반대편 끝에 있는 비트 위치로 이동해서 비트가 회전함
    • 순환 좌측-이동 circular shift-left: 최상위 비트가 최하위 비트 위치로 이동
    • 순환 우측-이동 circular shift-right: 최하위 비트가 최상위 비트 위치로 이동
  • 산술적 이동 arithmetic shift 연산: 부호 비트는 유지하고, 수의 크기를 나타내는 비트들만 이동
    • 회전 아니고 이동임!
    • 산술적 좌측-이동
      • 비는 공간은 0으로 채움
      • 10진수로 변환해보면 원래 수의 두 배가 나옴
    • 산술적 우측-이동
      • 비는 공간은 부호 비트와 같은 숫자로 채움
      • 10진수로 변환해보면 원래 수의 반이 나옴
    • 따라서 좌측으로 한 비트씩 이동시킬 때마다 두 배를 한 것과 같은 결과가 나옴
  • 논리적 이동 logical shift 연산: 주로 부호가 없는 데이터에 사용, 부호 비트와 상관없이 비트를 이동
    • 회전 아니고 이동!
    • 논리적 좌측-이동
      • 비는 공간은 0으로 채움
    • 논리적 우측-이동
      • 비는 공간은 0으로 채움

코드

• 영숫자 코드 alphanumeric code
  • 영문자와 숫자, 특수문자 데이터를 0과 1의 조합으로 구성된 코드로 표현한 것
  • 예) 표준 BCD 코드, ASCII 코드, EBCDIC 코드, 유니코드 unicode
• BCD binary coded decimal

• 가중치 코드
  • 8421 코드
    • 각 자리에 대한 가중치가 8, 4, 2, 1
    • 예) 9 → 1001
  • 2421 코드
    • 각 자리에 대한 가중치가 2, 4, 2, 1
    • 코드의 1의 보수가 10진수의 9의 보수와 같은 자기 보수 코드!
      • 예) 2에 대한 9의 보수는 7인데, 2는 0010이고 7은 1101이므로, 둘이 1의 보수 관계 있음
  • 2-5진 bi-quinary 코드 = 5043210 코드
    • 각 자리에 대한 가중치가 5, 0, 4, 3, 2, 1, 0
    • 7개 비트 중 1은 반드시 2개여야 함, 따라서 1의 개수가 1개 이하 혹은 3개 이상인 경우 오류가 있음을 검출할 수 있음
    • 예) 0 → 0100001
  • 링 카운터 코드 ring counter code
    • 각 자리에 대한 가중치가 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0
    • 직관적이고 쉽지만, 메모리 낭비가 심해서 자주 사용하진 않음
• 비가중치 코드
  • 3초과 코드 excess-3 code
    • 해당 숫자에 3을 더하고, 2진수로 변환
    • 코드의 1의 보수가 10진수의 9의 보수와 같은 자기 보수 코드!
      • 예) 2에 대한 9의 보수는 7인데, 2는 0101이고 7은 1010이므로, 둘이 1의 보수 관계 있음
  • 그레이 코드 gray code
    • 한 비트의 변화만으로 다음 값을 만들어낼 수 있어 속도가 빠름
      • 따라서 입출력 장치의 동작이나, 아날로그 신호 ↔ 디지털 신호 변환할 때 주로 사용함

• 에러 검출 코드
  • 패리티 코드 parity code
    • 가장 간단하지만, 1비트 오류만 체크할 수 있음
    • 10진수를 2진수로 변환한 것에, 패리티 코드 하나가 추가된 것
      • 예) 3 → 0011 (홀수 패리티 코드) 1
    • 홀수 패리티 코드: 1의 개수가 홀수가 되도록
    • 짝수 패리티 코드: 1의 개수가 짝수가 되도록
  • 해밍 코드 hamming code
    • 에러 체크 뿐만 아니라 수정까지도 가능함, 다만 체크 비트로 활용할 3 비트가 요구됨

기본 게이트

• 게이트 gate
  • 2진 정보 (0과 1)를 처리하는 논리회로
  • 표현 방법
    • 기호로
    • 부울 대수로
    • 진리표로
  • 종류: AND, OR, XOR, NOT, NAND, NOR, XNOR

• 범용 논리 게이트 universal gate
  • NAND 게이트와 NOR 게이트가 해당됨
  • 두 종류의 게이트를 가지고 디지털 시스템에서 사용되는 모든 게이트를 구성할 수 있음!

부울 대수

• 부울 대수 boole
  • 복잡한 논리회로를 간단하게 표현하는 데에 유용한 논리대수
    • 논리회로를 직접 간소화하는 것은 어렵기 때문에 → 논리 회로를 논리식으로 표현한 후, 부울대수의 기본 규칙을 활용해 간소화
  • 부울대수의 변수는 0과 1 중 한 값을 가짐
    • 부울함수: 부울대수와 기본연산을 활용
    • 부울보수: 2진 변수의 값을 반전시키는 단항 연산자
• 기본 연산 법칙
  • 교환법칙 commutative law 성립
  • 결합법칙 associative law 모두 다 같은 종류의 논리 연산이라면 성립
  • 분배법칙 distributive law 성립
    • 예) A(B+C) = AB + AC, A + (BC) = (A + B)(A + C)
  • 다중부정 성립 - 두번 연속된 논리 부정은 긍정
  • 드모르간의 법칙 de morgan
    • 논리합 전체를 부정하면 각각 부정한 것을 논리곱한 것과 같음
    • 논리곱 전체를 부정하면 각각 부정한 것을 논리합한 것과 같음
• 부울 함수의 간략화 방법 - 카르노맵 karnaugh map

R-S 플립플롭, 래치

• 래치 latch
  • 입력이 변하는 즉시 출력이 변하는 메모리 소자 = 입력이 유지되는 동안 출력도 그대로 유지됨
  • R-S 래치
    • 가장 간단한 래치
    • 두 개의 입력 단자 S set와 R reset을 가지고 있음
      • S에 신호가 들어오면 출력 Q가 1로 설정됨
      • R에 신호가 들어오면 출력 Q가 0으로 재설정됨
      • S와 R에 모두 신호가 없으면 이전 상태를 그대로 유지함
      • S와 R에 모두 신호가 있으면 불능
        • 출력 Q와 Q’는 항상 보수의 상태가 되어야 하는데, S와 R에 모두 신호를 주면 출력 Q와 Q’ 모두 0이 되기 때문

S	R	Q	Q'
0	0	불변	불변
0	1	0	1
1	0	1	0
1	1	불능	불능

 

• 플립플롭 flip-flop
  • 1 비트의 정보를 기억할 수 있는 회로
  • 휘발성 = 전원이 있을 때만 기억이 유지됨
  • 특정 신호가 들어올 때만 출력이 변함
    • 클록 clock 신호가 높아지거나 낮아질 때와 같은 아주 짧은 특정 순간에만 입력 신호를 받아들임
    • 그 외의 시간에는 아무리 입력이 변해도 출력은 그대로 유지됨
  • R-S 래치를 활용해서 구현함

CP	R	S	Q
1	0	0	불변
1	0	1	1
1	1	0	0
1	1	1	불능
0			0

 

D 플립플롭

• R-S 플립플롭은 S와 R에 동시에 신호를 주면, 출력이 불안정한 상태가 됨 → 이 문제를 해결하기 위해 → D 플립플롭은 단 하나의 입력 데이터만 사용함
  • R-S 플립플롭의 S 입력에는 D를 연결하고, R 입력에는 D’을 연결함
  • 이런 구조 덕분에 두 입력이 절대로 동시에 1이 될 수 없음

CP	D	Q
1	0	0
1	1	1
0		0

 

 

J-K 플립플롭

• R-S 플립플롭은 S와 R에 동시에 신호를 주면, 출력이 불안정한 상태가 됨 → 이 문제를 해결하기 위해 → 입력에 피드백 경로를 추가하여 S와 R이 동시에 1이 되는 것을 방지하고 반전 기능으로 활용함
• R-S 플립플롭의 S는 J로, R은 K로 대응됨

CPㅠ	J	K	Q
1	0	0	불변
1	0	1	0
1	1	0	1
1	1	1	반전
0			0

 

 

T 플립플롭

• J-K 플립플롭의 J와 K 입력을 묶어서 하나의 입력 신호 T로 동작시키는 플립플롭

CP	T	Q
1	0	불변
1	1	반전
0		0