1 장 . 컴퓨터의 기초

1. 1장. 컴퓨터의 기초 Lecture #1

2. 1.1 컴퓨터의 개요 (1) • 사회구조 변천 과정 • 제임스 와트의 증기기관 발명 • 전기 발명 • 컴퓨터와 통신 탄생 [ 정보통신의 발전 ] 컴퓨터 구조론

3. 1.1 컴퓨터의 개요 (2) • 컴퓨터 개요 • 초기 컴퓨터 : 계산을 목표로 함(전자계산기라고 통칭) • 현재 컴퓨터 • 계산능력(데이터의 해석이나 모의 실험) • 컴퓨터의 기억, 검색, 전달 기능을 이용한 대량 정보수집, 저장 • 정보를 여러 형태로 분류, 검색하는 정보처리 능력 • 프로그램에 의해 작업을 기억하여, 작업을 진행하고, 처리 결과의 상태에 따라 비교, 판단하는 판단 관리 능력 컴퓨터 구조론

4. 1.1 컴퓨터의 개요 (3) • 컴퓨터의 기능 • 원시 자료(source data)를 가공 처리하여 새로운 정보를 만든다. • 자료(Data) : 우리들 주변에 널려 있는 모든 것들 중에서 일정한 형식은 갖추고 있지만 가공되지 않은 정보 • 정보(Information) : 필요에 따라 정해진 일정한 규정에 의해 자료를 정리, 가공하여 얻게 된 일종의 지식 원시 데이터 데이터 처리 정 보 [ 컴퓨터의 정보처리 기능 ] 컴퓨터 구조론

5. 1.1 컴퓨터의 개요 (4) • 컴퓨터의 특성 • 고속성 : 입력, 기억, 연산, 비교, 판단, 출력 등의 기능을 매우 빠른 속도로 처리. • 정확성 : 정확한 프로그램과 자료가 주어지면 연산이나 처리를 정확하게 수행. • 저렴성 : 복잡한 작업을 사람이 하는 것보다 저렴하게 처리. • 범용성 : 활용분야가 광범위함. • 다중성 : 여러 작업을 동시에 처리. • 대용량성 : 많은 자료의 처리와 기억기능. • 호환성 : 사용 프로그램과 자료를 상호 공유하여 처리. 컴퓨터 구조론

6. 1.1 컴퓨터의 개요 (5) • 디지털 컴퓨터의 구성 [ 디지털 컴퓨터의 구성 ] 컴퓨터 구조론

7. 1.2 컴퓨터의 역사 (1) • 계산기의 발전 • 최초 계산기 : 3000년 전의 주판. • 1617년 네피어(J. Napier)의 네피어 봉(bone) • 곱셈용 계산 도구 • 1642년 파스칼(B.Pascal)은 최초의 기계식 탁상 계산기. • 톱니바퀴를 이용한 덧셈, 뺄셈 연산. • 1671년 라이프니치(B.V.Leibnitz)는 파스칼의 계산기 개량하여 기계식 속산표 기계 발명. • 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 연산 컴퓨터 구조론

8. 1.2 컴퓨터의 역사 (2) • 최초의 자동 컴퓨터 • 해석기계 : 바베지(C. Babbage)가 1834년에 고안. [ Babbage의 Analytical engine 구조 ] 컴퓨터 구조론

9. 1.2 컴퓨터의 역사 (3) • 근대 컴퓨터 • IBM 설립과 MARK-1의 탄생 • 1866년 홀러리스(H.Hollerith) : PCS(Punch Card System) • IBM • MARK-1 : IBM 후원으로 릴레와 천공 카드를 이용한 기계식 컴퓨터. • ABC와 ENIAC 이후 • ABC 컴퓨터 : 전기적으로 작동하는 최초의 디지털 계산기 • Atanasoff-Berry Computer • ENIAC : 18,000개의 진공관과 1,500개의 릴레이로 구성된 전자식 계산기. 군사용으로 사용 • UNIVAC-1 : 반도체 다이오드와 진공관을 사용한 최초의 상업용 컴퓨터. 컴퓨터 구조론

10. 1.2 컴퓨터의 역사 (4) [ ENIAC의 구조 ] 컴퓨터 구조론

11. 1.2 컴퓨터의 역사 (5) • 프로그램 내장형 컴퓨터 • 폰 노이만(Von Neumann) • 계산기에 기억장치를 설치하고 여기에 프로그램과 데이터를 저장한 다음 저장된 내용을 제어장치가 차례로 명령어를 읽어 명령어를 하나씩 읽어 내어 해독하고, 해독된 내용에 따라 데이터를 처리하여 그 결과를 출력장치로 보내어 문체를 처리한다. • EDSAC : 프로그램 내장방식을 채택한 최초의 컴퓨터. 컴퓨터 구조론

12. 1.2 컴퓨터의 역사 (6) [ 폰 노이만 기계의 구조 ] 컴퓨터 구조론

13. 1.2 컴퓨터의 역사 (7) • 컴퓨터의 발전과정 • 제 1세대 컴퓨터(1946 ~ 1958) • CPU 회로소자 : 진공관(냉각장치 필요) • 기억장치 : 수은 지연회로, 자기 드럼 • 언어 : 기계어 • 입출력장치 : 천공카드, 종이 테이프 • UNIVAC-1, IBM 701, IBM 702, IBM 704 • 제 2세대 컴퓨터(1959 ~ 1964) • CPU 회로소자 : 트랜지스터 • 기억장치 : 자기 코어, 자기테이프, 자기디스크 • 언어 : 어셈블리어, COBOL, FORTRAN, ALGOL, APL 등 • 운영체제의 개발, 다중 프로그램 가능 • 온라인 실시간 처리 시스템 방식 컴퓨터 구조론

14. 1.2 컴퓨터의 역사 (8) • 제 3세대 컴퓨터(1965 ~ 1971) • CPU 회로소자 : 직접회로(IC) • IC, SSI, MSI • 소프트웨어 체계 확립 • 운영체제, 다중 프로그램, 온라인 실시간 처리 시스템 등이 일반화 • 시분할 처리 방식(TSS:Time Sharing System) • MIS(Management Information System)체계 확립 • IBM 360시리즈, UNIVAC 9000시리즈, PDP-11 • 제 4세대 컴퓨터(1975 ~ 1979) • CPU 회로소자 : LSI • 캐쉬 기억장치, 가상 기억장치, 연상 기억장치 • 개인 컴퓨터의 대중화. • 온라인 실시간 처리시스템이 보편화. 컴퓨터 구조론

15. 1.2 컴퓨터의 역사 (9) • 제 5세대 컴퓨터(1980 ~ ) • CPU 회로소자 : VLSI • 대규모 종합 컴퓨터 네트워크가 추진 : 폭넓은 정보교환이 보편화. • 소형의 전용 컴퓨터 지향. 컴퓨터 구조론

16. 1.2 컴퓨터의 역사 (10) • Intel Microprocessor [ Intel 마이크로프로세서의 트랜지스터 집적도 ] 컴퓨터 구조론

17. 1.3 컴퓨터의 구성 (1) • 하드웨어 • 연산장치, 제어장치, 기억장치, 입력장치, 출력장치 • 하드웨어 기본 구성 컴퓨터 구조론

18. 1.3 컴퓨터의 구성 (2) • 중앙처리 장치(CPU) • 사용자가 지시한 프로그램에 따라 컴퓨터의 동작을 제어하고 데이터들을 연산 및 처리하는 기능. [ 중앙 처리 장치의 구조 ] 컴퓨터 구조론

19. 1.3 컴퓨터의 구성 (3) • 중앙처리 장치(CPU) • 주요 구성 요소 • 연산장치(ALU : Arithmetic Logic Unit) • 가산기, 논리연산기, 보수연산기, 시프터, 상태플래그레지스터 • 제어장치(Control Unit) • 레지스터(Register) • 주기억장치(Primary Memory) • 캐쉬메모리(Cache Memory) • 주 메모리(Main Memory) • 보조메모리(Auxiliary Memory) • ROM(Read Only Memory) 컴퓨터 구조론

20. 1.3 컴퓨터의 구성 (4) • 주변 장치 • 입력장치 • 컴퓨터에게 직접 명령을 내리거나 데이터를 데이터를 입력할 때 사용하는 장치. • 키보드, 마우스, 입력 펜, 스캐너, 디지타이저 등. • 출력장치 • 처리된 결과를 문자, 그래프, 영상, 음성 등의 형태로 출력하는 장치. • 모니터, 프린터, 플로터 등. • 보조기억장치 • 컴퓨터가 당장 필요로 하지 않는 프로그램이나 자료들을 파일 형태로 기억했다가 필요한 시기에 주 기억장치로 옮겨서 수행. • HDD, FDD, CD-ROM, DVD-ROM 등 컴퓨터 구조론

21. 1.3 컴퓨터의 구성 (5) • 소프트웨어 • 컴퓨터의 하드웨어를 동작시키기 위한 모든 기술, 방법 등을 갖춘 프로그램의 집합. • 프로그래밍 언어 • 저급언어(low level language) • 기계어 : 프로세서에게 직접 작업을 지시하기 위한 언어.(2진수로 작성) • 어셈블리어 : 2진 코드로 구성된 기계어에 1:1로 대응하는 연산 코드를 정하여 사용하는 언어. • 고급언어 • 인간이 사용하는 문장과 유사한 자연어로 구성되어 있어 프로그램을 이해하거나 작성하는데 용이한 언어. • 컴파일러, 인터프리터 필요 컴퓨터 구조론

22. 1.3 컴퓨터의 구성 (6) • 소프트웨어의 체계 • 응용소프트웨어 • 사용자가 문제를 해결하기 위하여 작성한 프로그램. • 패키지 프로그램 –워드프로세서, 데이터 베이스 • 유틸리티 프로그램 • 시스템 소프트웨어 • 컴퓨터 기능을 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 소프트웨어 • 운영체제, 제어 프로그램, 처리 프로그램 등 [ 소프트웨어 계층 구조 ] 컴퓨터 구조론

23. 1.4 컴퓨터의 종류 (1) • 데이터 형태에 의한 분류 • 아날로그 컴퓨터 (Analog computer) • 물리적인 양에 대한 연속적인 형태의 자료를 이용하여 측정하고 계산하여 출력하는 형태의 컴퓨터. • 디지털 컴퓨터(Digital computer) • 모든 데이터를 이산적인 숫자 형태로 표현, 연산 • 논리회로로 구성되며 모든 동작은 프로그램에 의해 수행 • 하이브리드 컴퓨터(Hybrid computer) • 아날로그와 디지털 컴퓨터의 혼합. • A/D변환기, D/A변환기를 내장. • 과학 기술 계산용, 군사용 컴퓨터 구조론

24. 1.4 컴퓨터의 종류 (2) • 하드웨어 용도에 의한 분류 • 마이크로 컴퓨터(micro computer) • 마이크로 프로세서 • 중앙처리장치를 최소화하여 작게 만든 컴퓨터 • 기계 제어를 위한 마이크로 컨트롤러 목적으로 개발 • 개인용 컴퓨터(personal computer) • 컴퓨터가 가격도 저렴해지고 개인별 소유가 용이함에 따라 불리워짐. • 범용 컴퓨터(general purpose computer) • 광범위한 분야에 걸친 문제들을 해결하기 위해 설계된 컴퓨터. • 과학기술 계산용, 사무처리용으로 구분 컴퓨터 구조론

25. 1.4 컴퓨터의 종류 (3) • 컴퓨터 규모에 의한 분류 • 마이크로 컴퓨터(micro computer) • CPU로 마이크로 프로세서를 사용하는 컴퓨터. • One-chip micro computer • 미니 컴퓨터(mini computer) • Multi-user system으로 개발. • 메인 프레임 컴퓨터(mainframe) • 가격 대비 성능면에서 다른 컴퓨터 보다 앞서있다. • 메인 프레임에 의해서만 제공될 수 있는 특수한 목적의 기능이 포함. • 슈퍼 컴퓨터(super computer) • 특수한 분야에서 고속으로 데이터들을 처리할 수 있는 특수한 컴퓨터. 컴퓨터 구조론

26. 1.5 집 적 회 로 (1) • 집적회로 • 한 개의 칩 안에 다수의 디지털 게이트를 구성하는 수많은 전자 부품들을 집적하여 만든 실리콘 반도체. • 집적 회로의 장점 • 시스템의 크기가 작다. • 동작 속도가 빠르다. • 전력 소모가 적다. • 수명이 반 영구적이다. • 고장이 적어 신뢰도가 높다. • 외부와의 연결 회로가 간단하다. • 가격이 싸므로 경제적이다. 컴퓨터 구조론

27. 1.5 집 적 회 로 (2) • 반도체 제조 기술에 따른 집적회로 분류 디지털 집적 회로 모노리틱 하이브리드 양극형 단극형 박막형 후박형 MOSFET PMOS NMOS CMOS HMOS RTL ECL IIL DTL TTL 컴퓨터 구조론

28. 1.5 집 적 회 로 (3) • 회로의 집적도에 따른 분류 • 소규모 집적회로 (SSI : Small Scale Integrated circuit) • 10개 미만의 게이트로 구성. • 기본논리 회로가 내장되어 있는 것 의미. • 중규모 집적회로 (MSI : Medium Scale Integrated circuit) • 10~100(10~102)개 미만의 게이트로 구성. • 대규모 집적회로(LSI : Large Scale Integrated circuit) • 100~10,000(102~104)개 미만의 게이트로 구성. • 컴퓨터 기억장치, 계산기 같은 기능 구현. • 초대규모 집적회로 (VLSI :Very Large Scale Integrated circuit) • 10,000~1,000,000(104~106)개 미만의 게이트로 구성. • 초대규모 기억장치나 복잡한 마이크로 프로세서 구현. 컴퓨터 구조론

29. 1.5 집 적 회 로 (4) • 회로의 집적도에 따른 분류 • 울트라 집적회로 (ULSI :Ultra Large Scale Integrated circuit) * 1,000,000~100,000,000(106~108)개 미만의 게이트로 구성. • 기가 집적회로 (GSI :Giga Scale Integrated circuit) * 100,000,000~10,000,000,000(108~1010)개 미만 게이트로 구성. • 테라 집적회로 (TSI :Tera Scale Integrated circuit) * 10,000,000,000(1010)개 이상의 게이트로 구성. 컴퓨터 구조론

30. 1.5 집 적 회 로 (5) • TTL(Transistor-Transistor Logic) • 가장 많이 사용되고있는 논리군으로, DTL로부터 성능향상을 위해 다이오드를 트랜지스터로 바꾼 것. • 구성 • 개방 컬렉터(open collector output) 출력 : 컬렉터가 개방되어 있기 때문에 사용 시 외부 드라이브 저항이 필요. • 토템폴(totem-pole) 출력 : TTL의 표준출력. 전파지연이 감소되고 fan-out이 크며 출력 전력이 높다. • 3-상태(Tri-state) 출력 : 개방 컬렉터 출력에서 두 개 이상의 컬렉터 게이트의 출력을 묶어서 공통 저항을 통해 전원에 연결함으로써 외부적으로는 AND기능을 수행하게 되며, wire-AND라 한다. 컴퓨터 구조론

31. 1.5 집 적 회 로 (6) • ECL(Emitter-Coupling Logic) • 슈퍼 컴퓨터 신호 처리기 같은 고속 회로에 이용. • ECL 게이트의 트랜지스터는 불포화 상태에서 동작한다.(1~2 nano second의 지연시간을 가짐.) • ECL 게이트의 기호 컴퓨터 구조론

32. 1.5 집 적 회 로 (7) • MOS(Metal-Oxide Semiconductor) • MOS에는 전자와 홀의 두개의 반송자 중 하나의 반송자에 의하여 전류가 흐르는 단극성 트랜지스터가 사용되는 NMOS가 대부분이다. • 정상동작을 위해 두개의 반송자를 쓰는 ECL과 TTL 게이트의 쌍극 트랜지스터와 구별. • 장점 • 주어진 칩 영역에 좀 더 많은 회로를 집적할 수 있는 고밀도 패킹. • IC제조 기술이 좀더 간단하고 경제적. • 전력소비가 쌍극성에 비해서 적다. 컴퓨터 구조론

33. 1.5 집 적 회 로 (8) (a) n 채널 MOS구조 (b) n 채널 MOS 기호 컴퓨터 구조론

34. 1.5 집 적 회 로 (9) • CMOS(Complemented Metal-Oxide Semiconductor) • 주로 저 전력 소모가 요구되는 시스템에 사용. • 회로의 밀도가 높고 제조 공정이 단순하며, 전력 소비가 적어 경제적이다. • 4000B series • 40xx, 45xx 로 시작하는 논리소자 • 속도가 느리고, 래치업이 자주 발생 • HC series • High speed CMOS • LS TTL과 유사한 사양을 가짐 • HCT series • 입력문턱 전압을 TTL 전위에 맞춘 것. [ CMOS 기호 ] 컴퓨터 구조론