[ 2014-1] 정보통신기초 Week 3 : 데이터의 조 작

[2014-1] 정보통신기초Week 3 : 데이터의조작 담당교수 : 최 윤 정

Chapt.2 데이터의 조작 목차 • 2.1 컴퓨터 구조 • 2.2 기계어 • 2.3 프로그램의 실행 • 2.4 연산명령 • 2.5 다른 장치와의 통신 • 2.6 기타 구조

2.1 컴퓨터 구조 • CPU • 연산장치 • 제어장치 • 레지스터 • 버스 • 메모리 • 메인보드 • 디스크 ..

H/W 구성요소

기본레지스터

메인보드

칩셋(Chipset) • 여러 칩과 회로가 모여 서로 연관된 기능을 수행하도록 설계된 제어 칩(chip)들의 조합(set) • 모든 전자제품에는 특수 목적용 칩셋이 들어 있음 • 컴퓨터, 휴대전화, 디지털 TV 등 • CPU 프로세서와 함께 시스템 전체를 제어  호환성! • 대개 메인보드 상에 몇 개의 제어 칩들로 구성 • 칩셋 내부 회로☞ CPU를 지원하는 각종 제어 장치들 • 버스 컨트롤러, 메모리 컨트롤러, I/O 컨트롤러, 인터럽트 컨트롤러, 타이머등 다양한 장치들

칩셋과ROM은 메인보드에 장착 칩셋 방열판으로 덮은 칩셋 롬 바이오스칩

데스크탑 컴퓨터의 메인보드 메모리 슬롯 CPU 소켓 전원 커넥터 배터리 I/O 포트 칩셋 I/O 확장 슬롯 I/O 커넥터 대만 기가바이트 motherboard (2013)

Quiz:빈칸채우기 전원 커넥터 메모리 슬롯 배터리 I/O 커넥터 CPU 소켓 칩셋 I/O 포트 I/O 확장 슬롯 대만 ASUSmotherboard (2013)

노트북의 메인보드 미국 AppleMacBook Air 13” (2013)

태블릿 컴퓨터의 메인보드 미국 AppleiPad Air (2013)

스마트폰의 메인보드 ① 미국 Apple iPhone 5s 메인보드 (2013)

스마트폰의 메인보드 ② 한국 Samsung Galaxy S4 메인보드 (2013)

컴퓨터 시스템의 동작 ※ 정보 : 명령어와 데이터로 구분 - 명령어 : 실행할 산술, 논리 연산 동작을 명시하는 문장. - 프로그램 : 작업 하나를 수행하기 위한 명령어 집합. • 컴퓨터 시스템 : 디지털 형태의 정보를 입력 받아 메모리에 저장된 명령어 목록(프로그램)에 따라 처리하고 결과를 출력하는 일종의 고속 전자계산기. • 1) 컴퓨터 시스템의 동작과정 • 아래와 같은 순서로 동작하며, 제어장치가 모든 동작을 제어한다. • 입력 장치를 통해 정보를 입력 받아 메모리에 저장한다. • 메모리에 저장한 정보를 프로그램의 제어에 따라 인출, 산술 장치나 논리 장치에서 처리한다. • 처리한 정보를 출력 장치에 표시하거나 디스크(보조기억장치)에 저장한다.

명령어 구성 [그림1-14] 명령어 구조의 간단한 예 [그림1-15] 메인 메모리에 저장된 명령어 예 • 연산 코드(Operation Code)와 오퍼랜드(Operand)로 구성. • 0과 1의 이진 코드화 되어 있으며 프로세서에 따라 길이가 달라짐. • 고정 길이 또는 기능에 따른 가변적 구성 가능. • 실행 전 메인 메모리에 저장, 한번에 하나씩 프로세서에 전송되어 해석 및 실행.

프로그램 내장(stored program) • 기존 : 데이터는 메모리에, 프로그램은 CPU에.. • 프로그램도비트패턴으로 인코딩되어 주기억장치에 저장될 수 있다. • CPU는 주기억장치에서 명령들을 읽어와서 실행할 수 있다. • fetch - execute • 또한 실행될 프로그램을 주기억 장치 안에서 쉽게 변경할 수도 있다.

기계 명령: CPU가 인식할 수 있도록 비트 패턴으로 인코딩된 명령 • 기계어(machine language): 기계가 인식할 수 있는 모든 명령의 집합 • 컴파일 과정 • SOURCE 파일 기계어 코드로 변환하는 과정.! • .c  .o  .exe • .java .class

CPU 구조에 대한 두 가지 철학– 양대 축 • RISC(Reduced Instruction Set Computing) • 최소의 기계명령어를 실행하도록 설계하자. • 단순하고, 빠르고, 효율적인 소수의 명령 • 예: Apple/IBM/Motorola의 PowerPC • CISC(Complex Instruction Set Computing) • 많은수의 복잡한 명령을 실행하도록 설계하자. 중복도 괜찮다.! • 편리하고 강력한 다수의 명령 • 예: Intel의 Pentium

명령어의 종류 • 데이터 전송: 한 장소에서 다른 장소로 데이터를 복사한다 • memmem , mem reg, regmem .. • 연산: 기존의 비트 패턴을 사용하여 새로운 비트 패턴을 계산한다 • and, or, add … • 제어: 프로그램 실행을 지시한다

주기억장치에저장된 값들로 덧셈하기 • + 3 5 • 단계 1. 덧셈에 사용될 값 중의 하나를 주기억장치에서 가져와 레지스터에 넣는다. • 단계 2. 덧셈에 사용될 또 다른 값을 주기억장치에서 가져와 또 다른 레지스터에 넣는다. • 단계 3. 단계 1, 2에서 사용된 레지스터들을 입력으로 사용하고 결과는 또 다른 레지스터에 저장하도록 덧셈 회로를 작동시킨다. • 단계 4. 결과를 주기억장치에 저장한다. • 단계 5. 멈춘다.

나눗셈연산 • / 6 3 ( 보통 , / 는몫을 % 는나머지를 구합니다) • 단계 1. 메모리에서 값 하나를 받아와서 레지스터에 LOAD하라. • 단계 2. 메모리에서 또 다른 값 하나를 받아와서 또 다른 레지스터에 LOAD하라. • 단계 3. 두 번째 값이 0일 경우, 단계 6으로 점프하여라. • 단계 4. 첫 번째 레지스터의 내용을 두 번째 레지스터의 나누어 얻은 몫을 세 번째 레지스터에 넣어라. • 단계 5. 세 번째 레지스터의 내용을 메모리에 STORE하라. • 단계 6. STOP.

기계명령어의 요소 • 명령 코드(op-code): 실행할 명령을 지정한다 • 피연산자(operand): 명령에 관한 추가 정보를 제공한다 • 피연산자에 대한 해석은 명령 코드에 따라 달라진다

부록 C : 12개의 기계어 보기 3번은 Store 기능: reg 내용을 mem(addr)

덧셈코드 (slide 22의기계어 표현) • 덧셈에 쓰일 operand가 각각 6c, 6d 에 들어있다고 가정 • 1 번 : load (mem(addr)->reg) • 5 번 : add • C(12)번 : halt.

간단한 명령어의예 • 3 6 8 A : • 3: store , reg memory • 6 : 레지스터코드 • 8A : 메모리 주소 • 즉, 6번 레지스터의 내용을 메모리주소 8A에 store. • 4 0 F 4 : • 4 : move (==copy) , reg reg • 0 : pass • F : F번 레지스터 4 : 4번 레지스터

프로그램의 실행 • 두 개의 용도 지정 레지스터로 제어 • 프로그램 카운터(PC): 다음 명령의 주소 • 명령 레지스터(IR): 현재 명령 • 기계 주기(machine cycle) • 인출(fetch) • 해석(decode) • 실행(execute)

기계어 사이클

B : JUMP • B 2 5 8 : • 2번 레지스터값과0번 레지스터값을 비교한다. • 같으면 메모리 주소 58번으로 JUMP! • 이제, 58 번에 있는 명령어가 인출되어 실행됨. • B 0 5 8 : • 비교할 레지스터가 0 이므로 언제나 항상 같음. • 따라서, 항상 58번으로 JUMP.

연산명령 • 논리 연산: AND, OR, XOR … • 마스킹(masking) : • AND : 비트패턴 중 임의의 값을 알아오거나, 변경 • OR : 비트패턴중 임의의 값을 1로 set 할 때.. • 예) 10101011 중하위 4bit만 가져올 때 • 00001111과 AND ______________________________ 결과 00001011 • 예) 10101011 중상위 4bit를 모두 1로 set할 때 • 11110000 과 OR ______________________________ 결과 11111011

연산명령 • 회전(rotate) 및 자리 이동(shift): • 회전식 자리 이동(circular shift) • 논리적 자리 이동(logical shift) : • 밖으로 나가는 비트는 버리고 빈자리는 0으로 채우자. • 왼쪽이동은 곱하기 • 오른쪽 이동은 나누기 효과 • 산술적 자리 이동(arithmetic shift) • 오른쪽 이동시에는 빈자리는 원래 있던 값으로 채운다. 예) -0xFFFF vs. 0xFFFF

연산명령 • 산술 연산: 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 • 정확한 동작은 값들의 인코딩 방식에 따라 달라진다 • 2의 보수 • 부동소수점

다른 장치와의 통신 • 제어기(controller): 컴퓨터와 장치와의 통신을 처리하는 중개 장치 • 각 장치유형마다 전용 제어기가 존재함 • 범용 제어기: USB와 파이어와이어(FireWire) • 포트(port): 장치를 컴퓨터에 연결하는 지점 • 메모리 사상 (memory-mapped) I/O: CPU가 주변장치를 메모리 셀처럼 취급하며 통신하는 방식

컴퓨터의 버스에 연결된 제어기들

메모리-사상 I/O의 개념적 표현

다른 장치와의 통신 • DMA(Direct Memory Access): 제어기가 버스를 경유하여 주기억장치에 접근 • 폰노이만 병목현상: • 디스크에서 메모리로 데이터를 읽어오는 동안 (제어기가 담당) CPU는 다른 작업을 할 수 있다.!  즉, 동시에 두 가지 일을 할 수 있다.! • 그러나, 버스 사용권에 대한 경쟁으로 정체현상이 올 수 있다. • 핸드셰이킹(handshaking): • 컴퓨터 구성요소 사이의 데이터 전송 조정 과정 • 단방향vs. 양방향! • ‘상태단어’ 를 이용하여 장치들의 상태를 전송한다. • 예) 프린터의 상태단어 : 최하위비트 -용지걸림, 용지없음…

다른 장치와의 통신 • 장치들 사이의 통신을 처리하는 방식에 따라 • 병렬 통신(parallel communication): • 다중 통신 경로를 사용하여 비트들을 동시에 전송. • 빠르지만 복잡한 구조. • 직렬 통신(serial communication): • 단일 통신 경로를 사용하여 한 번에 한 비트씩 전송. • 단순한 회로.

통신 속도 • 측정 단위 • Bps: Bits per second • Kbps: Kilo-bps (1,000 bps) • 8Kb == 1kB , B = byte, b = bit • Mbps: Mega-bps (1,000,000 bps) • Gbps: Giga-bps (1,000,000,000 bps) • 대역폭(bandwidth): 최대 전송 속도

기타 컴퓨터 구조 • 처리율(throughput) 개선을 위한 기술: • 파이프라이닝(pipelining): 일련의 작업주기에 따라 단계를 중첩시키자. 쉬지 않도록. • 병렬 처리(parallel processing): 여러 개의 프로세서를 동시에 사용하자. • SISD(single instruction stream, single data stream): 병렬처리X • MIMD(multipleinstruction stream, multiple data stream): 여러 개의 프로그램이 각자 다른 데이터를 사용하여 수행됨 • SIMD(single instruction stream,multiple data stream) : 동일한 프로그램이 여러 데이터에 적용됨 • 자체적으로 Memory-cpu를 갖는 여러 개의 장치들을 묶자.

과제# • 단원 복습문제 : 4문제 • 4,5,7,8 • 사회적 논제 : • 4번 : 다른 누군가가 만들고, 유지하고 발생하는 문제를 고칠 것이기 때문에 개인이 기계의 내적 세부사항을 알 필요 없다는 개인의 태도는 윤리적으로 합당한가? • 컴퓨터의 경우와 자동차, 핵발전소의 경우..같은 생각인가? • 7번 : 오버플로우나절삭오차로 인해 발생하는 산술적 오류의 결과로 금융분야나 운항 시스템등에서 대형사고의 발생을 상상하는 것은 어렵지 않다. 이미지 저장 시스템에서 미세한 부분을 잃음으로 발생할 수 있는 결과는 무엇인가? 감시, 의료진단의 예로 생각해보자. • 처리단위의 문제 : 우주선 폭발사고의 원인  단위 해석이 달라서…. • 금융 계산시 : 1007원 89전  올림/버림

[ 2014-1] 정보통신기초 Week 3 : 데이터의 조 작