전자계산기 구조 정리
· 37 min read
불 대수
- 영국 수학자 불에 의해 개발
- AND : 입력 값이 모두 1일 때 1 출력
- OR : 입력 값이 하나라도 1일 때 1 출력
- NOT : 부정
기본 공식
- 합의 곱을 곱의 합으로 변환
- 분배법칙 예외 : A ＋(B×C) = (A ＋ B)(B ＋ C)
- 드모르강
- (A ＋ B)` = A`×B`
- (A×B)` = A`＋ B`
- 멱등
- A ＋ A = A
- A×A = A
- 보수
- A ＋ A` = 1
- A×A` = 0
- 항등
- A ＋ 0 = A
- A ＋ 1 = 1
- A×0 = 0
- A×1 = A
- 콘센서스
- AB ＋ BC ＋ CA` = AB ＋ CA`
- (A ＋ B)(B ＋ C)(C ＋ A`) = (A ＋ B)(C ＋ A`)
- 복원 : A`` = A
- 기타
- A ＋ A`B = A ＋ B
- A ＋ AB = A
카르노 맵
- 설계된 논리식을 도표로 표현하여 최소화 하는 방법
- Karnaugh map = K-map = 카노맵
AB와 CD의 위치를 바꾸어 계산하는게 쉽다.
| 00 | 01 | 11 | 10 | |
|---|---|---|---|---|
| 00 | 0 | 1 | 3 | 2 |
| 01 | 4 | 5 | 7 | 6 |
| 11 | 12 | 13 | 15 | 14 |
| 10 | 8 | 9 | 11 | 10 |
논리 게이트
- BUFFER : 입력된 정보를 그대로 출력
- NAND : NOT + AND
- NOR : NOT + OR
- XOR : 입력이 같으면 0, 다르면 1
- X = A⊕B
- X = A`B + AB`
- X = (A + B)(A` + B`)
- XNOR : NOT + XOR
- X = A⊙B
- X = (A⊕B)`
- X = AB + A`B`
조합논리회로
반가산기, 전가산기, 병렬가산기, 반감산기, 전감산기, 디코더, 인코더, 멀티플렉서, 디멀티플렉서, 다수결회로, 비교기 등
반가산기
2진수 두 개를 더한 합과 자리올림수를 구하는 조합논리회로
- 합은 S, 자리올림(캐리)는 C
- C = AB
- S = A`B + AB` = A⊕B
전가산기
1bit 2진수 3자리를 더하여 합과 자리올림수를 구하는 조합논리회로
- 두 개의 반가산기와 한 개의 OR GATE로 구성
- 합은 S, 자리올림(캐리)는 C
- C = (A⊕B)C + AB
- S = (A⊕B)⊕C
- 3 × 8 디코더 1개 + 4 입력 OR 게이트 2개로 구성가능
병렬가산기
n bit로 된 2진수 A, B에 대한 덧셈을 n개의 전가산기를 이용하여 구현한 실질적인 가산기
- 전파지연을 줄이기 위해 Carry Look Ahead 사용
- 전파지연 : ALU Path에서 가장 긴 Delay
반감산기
1bit 2진수 2자리에 대한 감산을 하는 조합논리회로
- 차는 D, 빌려온 수는 B
- B = A`B
- D = A`B + A`B = A⊕B
- 2 × 4 디코더 1개 + 3 입력 OR 게이트 1개로 구성가능
디코더
n bit의 코드화된 정보를 그 코드의 각 bit 조합에 따라 2^n개의 출력으로 번역하는 조합논리회로
- n개의 입력을 2^n개의 출력으로
- 명령어의 명령부나 번지를 해독할 때 사용
- 주로 AND 게이트로 구성
- 부호화된 데이터에서 정보를 찾아냄
- n × 2^n 디코더의 AND 게이트 수 : 2^n 개
- 5 × 8 디코더 : 8개
인코더
2^n개의 입력선으로 입력된 값을 n개의 출력선으로 코드화해서 출력하는 조합논리회로
- 2^n개의 입력을 n개의 출력으로
- 16개의 입력선일 경우 4개의 출력선 필요 (2^4)
멀티플렉서
2^n개의 입력선 중 1개를 선택하여 그 선에서 입력되는 값을 1개의 출력선으로 출력하는 조합논리회로
- 2^n개의 입력선 중 1개의 선을 선택하기 위해 n개의 선택선 이용
- 16개의 입력선일 경우 4개의 선택선 필요 (2^4)
- 출력선은 하나
디멀티플렉서
1개의 입력선으로 들어오는 데이터를 2^n개의 출력선 중 1개를 선택하여 출력하는 회로
- 2^n개의 출력선 중 1개의 선을 선택하기 위해 n개의 선택선 이용
- 16개의 출력선일 경우 4개의 선택선 필요 (2^4)
- 입력선은 하나
순서논리회로
- 외부의 입력과 현재 상태에 따라 출력이 결정
- 논리 게이트 외에 메모리 요소와 피드백 기능을 포함
- 기억기능 존재
- 출력이 일정한 값을 갖지 않음
- 플리플롭과 논리 게이트로 구성
- 동기식과 비동기식으로 나뉨
- 플리플롭, 카운터, 레지스터, RAM, CPU 등
플리플롭
- 전원이 공급되는한 상태의 변화를 위한 외부신호가 발생할 때까지 현재의 상태를 그대로 유지하는 논리회로
- 레지스터, 카운터, 반도체메모리(RAM)의 기본 구성요소
- 2진수 1bit를 저장 가능
- 두 개의 NAND 또는 두 개의 NOR 게이트를 이용하여 구성
특성표
순서논리회로의 기능을 나타내는 표로 입력선의 값에 따라 현재 상태가 다음 상태로 어떻게 변하여 저장되는지를 나타낸다.
여기표
특성표 대신 순서논리회로의 기능을 표로 나타낸 것, 현재 상태 값을 새로운 값으로 변경시키려면 입력선으로 어떤 값을 입력해야 하는가를 나타낸다. 출력을 이용하여 입력을 알아내는 것.
RS 플립플롭
- Reset-Set FF
- 특성표
| S | R | Q |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 無 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 不可 |
- 여기표는 특성표를 떠올리면 구할 수 있다.
D 플립플롭
- RS 플리플롭의 R선에 인버터(NOT 연산자)를 추가하여 S선과 하나로 묶어서 입력선을 하나만 구성한 플립플롭
- 입력값을 그대로 저장하는 기능을 수행
- 특성표
| D | Q |
|---|---|
| 0 | 0 |
| 1 | 1 |
JK 플립플롭
- RS에서 S=1, R=1일 때 동작하지 않는 점을 보완한 플립플롭
- RS 플립플롭의 입력선 S와 R에 AND 게이트 2개를 추가하여 JK 플립플롭의 입력선 J와 K로 사용한다.
- 모든 플립플롭의 기능을 포함한다.
- 플립플롭의 네가지 기능을 모두 갖춘 것을 찾으라는 문제가 나오면 RS가 있으면 RS, JK가 있으면 JK
- 특성표
| S | R | Q |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 無 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 보수 |
- 여기표는 특성표를 떠올리면 구할 수 있다.
T 플립플롭
- JK 플립플롭의 두 입력선을 묶어서 한 개의 입력선으로 구성한 플립플롭
- T=1인 경우 현재 상태를 토글한다. 보수가 출력된다.
- 카운터에 이용
| T | Q |
|---|---|
| 0 | 無 |
| 1 | 보수 |
M/S 플립플롭
- 마스터-슬레이브 플립플롭
- 출력 측의 일부가 입력 측에 피드백되어 유발되는 레이스 현상을 없애기 위해 고안된 플립플롭
- 두 개의 플립플롭으로 구성
- 레이스 현상 : 입력이 되는 조합회로의 출력을 플리플롭이 받는 동안 플리플롭의 내부 상태가 변하고 있으면 그 상태값이 피드백통로를 통해 조합회로로 전달되므로 회로가 불안정해지는 현상
자료 구성 단위
비트
- 자료, 정보 표현의 최소 단위
- 0과 1을 표시하는 2진수 1자리
니블
- 4bit가 모여 구성
- 16진수 1자리를 표현하기에 적합
바이트
- 문자를 표현하는 최소 단위
- 8bit가 모여 1Byte
- 1Byte는 256가지의 정보를 표현(2^8bit)
- Alphanumeric은 1Byte, 한글한자는 2Byte
- KB = 2의 10승, MB = 2의 20승...
워드
- 컴퓨터가 한 번에 처리할 수 있는 명령 단위
- 전워드 : 4Byte (full word)
- 하프워드 : 2Byte (반워드)
- 더블워드 : 8Byte
필드
- 파일 구성의 최소 단위
- 의미 있는 정보를 표현하는 최소 단위
레코드
- 하나 이상의 관련된 필드가 모여서 구성
- 컴퓨터 내부 자료 처리 단위
- 논리 레코드를 의미
블록
- 물리 레코드
- 하나 이상의 논리 레코드가 모여서 구성
- 각종 저장 매체와의 입출력 단위를 의미
파일
- 프로그램 구성의 기본 단위
- 같은 종류의 여러 레코드가 모여서 구성
데이터베이스
- 여러 개의 관련된 파일의 집합
- 관계형, 계층형, 망형 DB
진법
2진수
정수는 나누고 소숫점은 곱하고
8진수
2진수를 구하고 3자리씩 묶고
16진수
2진수를 구하고 4자리씩 묶고
보수
- 덧셈회로를 이용하여 뺄셈을 수행하기 위해 사용
- 1의 보수 : 그냥 반전
- 2의 보수
- 1의 보수를 구한 뒤 1을 더함
- 뒤에서부터 1이 나올때까지는 그냥쓰고 나머지는 반전
뺄셈
- 1의 보수 이용 : 자리올림이 발생하면 결과에 자리올림수를 더한다.
- 2의 보수 이용 : 자리올림이 발생하면 버린다.
고정 소수점
정수 데이터 표현 및 연산에 사용하는 방법
2진연산
- 정수값을 2진수로 변환하여 표현하는 방식
- 표현할 수 있는 범위가 작음
- 연산속도 빠름
- 맨처음 1bit는 부호비트로 사용
음수연산
- 부호화 절대치법 : 양수 표현에 대해 부호비트만 바꾼다.
- 부호화 1의 보수법 : 양수 표현에 대해 1의 보수를 구한다.
- 부호화 2의 보수법 : 양수 표현에 대해 2의 보수를 구한다.
- 1의 보수 표현법에 비해 음수 1개를 더 표현할 수 있다.
- 자리올림을 무시하므로 1의 보수 표현에 비해 연산이 간단하다.
- 0이 하나만 존재한다.
부호화 2진 표현을 10진수로 변경시
- 부호 비트를 빼고 2의 보수 연산
- 부호를 대입
10진연산
언팩연산
- 존형 10진연산 = Zone Decimal
- 연산이 불가능하다.
- 데이터 입출력에 사용
- 1Byte로 10진수 1자리를 표현
- 4개의 존 비트와 4개의 숫자 비트를 사용
- 최하위 바이트의 존 부분을 부호로 사용
- Zone = F, Digit = 4Bit 2진수
- Sign = 양수 C, 음수 D, 부호 없는 양수 F
팩연산
- 연산이 가능
- 데이터 입출력 불가능
- 1Byte로 10진수 2자리를 표현
- 최하위 바이트의 마지막 4Bit를 부호로 사용
- Digit = 4Bit 2진수
- Sign = 양수 C, 음수 D, 부호 없는 양수 F
부동소수점
- 매우 크거나 작은 수, 매우 정밀한 수를 적은 비트로 표현 가능
- 연산시간이 느림
- 부동 소수점의 연산 수행횟수를 FLOPS로 표시
- FLOPS : FLoating point Operations Per Second, 컴퓨터 연산속도의 단위
- 지수부와 가수부를 분리하는 정규화 과정 필요
정규화 :
0.1 <= 가수부분 < 1을 만족시키게 변경 - 4Byte를 사용하는 단정도와 8Byte를 사용하는 배정도 표현법
- 지수부에는 정규화해서 분리한 지수값을 64Bias법으로 표현
- 64Bias : 지수 7Bit에 100 0000이 입력되어 있고 2^n의 n만큼을 더하고 뺴서 지수를 표현하는 방식
IEEE 표준
- IEEE 754 표준
- 정규화시 가수부가 1이되게 정규화
- 127Bais를 사용해 지수 8Bit에 0111 1111이 들어있음
| 구분 | 크기 | 부호 | 지수 | 가수 |
|---|---|---|---|---|
| single | 32 | 1 | 8 | 23 |
| double | 64 | 1 | 11 | 52 |
| extended | 80 | 1 | 11 | 68 |
연산
덧셈 및 뺄셈
- 0인지 확인
- 지수가 큰쪽에 수를 맞추어 정규화
- 연산
- 결과 정규화
곱셈
- 0인지 확인
- 지수 덧셈
- 가수 곱셈
- 결과 정규화
나눗셈
- 0인지 확인
- 레지스터 초기화
- 부호 결정
- 나눠지는 수가 나누는 수보다 작게 나눠지는 수를 정규화
- 지수 뺄셈
- 가수 나눗셈
자료 표현
BCD
- 2진화 10진코드 = Binary Coded Decimal
- 6Bit 코드로 IBM에서 개발
- 1개의 문자를 2개의 Zone Bit와 4개의 Digit Bit로 표현
- 6Bit이므로 64개 문자 표현 가능
- 1Bit의 Parity Bit를 추가해 7Bit로 사용
- 영소문자 표현 불가
ASCII
- American Standard Code for Information Interchange
- 7Bit 코드로 미국 표준협회에서 개발
- 7Bit이므로 128개의 문자 표현 가능
- 1Bit의 Parity Bit를 추가해 8Bit로 사용
- 영대소문자, 숫자, 제어문자, 특수문자 등 표현 가능
- 통신 제어용 및 마이크로 컴퓨터의 기본코드로 사용
EBCDIC
- 8Bit 코드로 IBM에서 개발
- 1개의 문자를 4개의 Zone Bit와 4개의 Digit Bit로 표현
- 8Bit이므로 256개의 문자 표현 가능
- 1Bit의 Parity Bit를 추가해 9Bit로 사용
- 특수문자, 영대소문자, 숫자 등 표현 가능
BCD 코드
- 10진수 1자리를 2진수 4Bit로 표현
- 8421 코드
- 가중치 코드
- 2진수 각 자리가 고유한 값을 가지는 코드
- BCD에서 Zone을 생략한 형태
- 10진수 입출력이 간편
Excess3 코드
- BCD 코드에 3을 더하여 만든 코드
- 모든 비트가 동시에 0이 되는 경우가 없다.
- 3 초과 코드
- 자기보수 코드
- 비가중치 코드
- 10진수를 표현하기 위함이다.
- 보수를 구하기 편해 산술연산에 좋다.
Gray 코드
- BCD 코드의 인접하는 Bit를 XOR 연산하여 만든 코드
- 코드 변환이 용이
- 입출력장치, A/D변환기, 주변장치 등에서 숫자를 표현할 때 사용
- 1Bit만 변화시켜 다음 수치로 증가시키기 때문에 하드웨어 오류가 적다.
- 2진수를 Gray로 변경시 : n자 모양으로 연산
- 첫번째 그레이 비트는 2진수 첫번째 비트 그대로
- 2진수 비트를 앞뒤로 XOR 연산
- Gray를 2진수로 변경시 : h자 모양으로 연산
- 첫번째 2진수는 그레이 비트 그대로
- 두번째부턴 왼쪽 변경된 2진수와 변경할 우측 그레이 비트를 XOR 연산
패리티 코드
- 전송된 코드의 오류를 검사하기 위해 데이터 비트 외에 1Bit의 패리티 체크 비트를 추가하는 것
- 1Bit의 오류만 검출 가능
홀수 패리티
- Odd Parity = 기수 패리티
- 1의 갯수가 홀수가 되도록 0이나 1을 마지막에 추가
짝수 패리티
- Even Parity = 우수 패리티
- 1의 갯수가 짝수가 되도록 0이나 1을 마지막에 추가
해밍 코드
- 오류를 검출하고 교정이 가능한 코드
- 2Bit의 오류를 검출할 수 있고 1Bit를 교정 가능
- 잉여비트가 많이 필요
- 1, 2, 4, 8, ... 2^n번째 Bit는 오류 검출을 위한 패리티 비트
- 패리티 비트 결정시
- 1번 Bit는 1, 3, 5, 7...
- 2번 Bit는 2, 3, 6, 7, 10, 11... 2Bit씩 건너 뛰면서
- 4번 Bit는 4, 5, 6, 7, 12, 13, 14, 15... 4Bit씩 건너 뛰면서
코드 분류
가중치코드는 일반적으로 숫자로 이루어져 있다.
| 분류 | 코드종류 |
|---|---|
| 가중치 | BCD(8421), 2421, 84-2-1, Biquinary, 51111, RingCounter |
| 비가중치 | 3초과(Excess3), Gray, Jonson, 2outof5, 3outof5 |
| 자기보수 | 3초과(Excess3), 2421, 51111, 84-2-1 |
| 오류검출 | 해밍, 패리티, Biquinary, RingCounter, 2outof5, 3outof5 |
중앙처리장치
제어장치, 연산장치, 레지스터, 버스로 구성
제어장치
- 컴퓨터의 모든 장치에 대한 동작을 지시하고 제어
- 명령 레지스터에서 읽어들인 명령어를 해독해 장치에 제어신호를 보내 명령을 수행하도록 지시
- 제어장치에 입력되는 항목
- 명령어 레지스터
- 플래그
- 클록
구성요소
- 명령 레지스터 : 현재 실행중인 명령어 내용 기억
- 명령 해독기(디코더) : 명령 레지스터에 있는 명령어를 해독
- 제어 발생기(인코더) : 해독된 명령에 따라 각 장치로 본래 제어 신호 생성
- 제어 주소 레지스터(CAR) : 다음에 실행할 마이크로 명령어의 주소를 저장하는 레지스터
- 매핑의 결과값, 주소필드, 서브루틴 레지스터의 내용이 기록
- 제어 버퍼 레지스터(CBR) : 제어 기억장치로부터 읽혀진 마이크로명령어를 일시적으로 저장하는 레지스터
- 제어 기억장치 : 마이크로 프로그램을 저장하는 내부 기억장치
- 순서 제어모듈 : 마이크로 명령어의 실행 순서를 결정하는 회로집합
- 순차 카운터 : 디코더에 의해 선택된 번호에 해당하는 타이밍 신호를 생성
연산장치
- 제어장치에 명령에 따라 실제로 연산을 수행하는 장치
- 산술연산, 논리연산, 관계연산, Shift 등
- 가산기, 누산기(AC), 보수기(Complementor), 데이터레지스터, 오버플로 검출기, 시프트 레지스터 등
레지스터
- CPU 내부에서 처리할 명령어나 연산의 중간 결과값 등을 일시적으로 기억하는 임시 기억장소
- 플리플롭이나 래치들을 병렬로 연결하여 구성
- 메모리 중에서 속도가 가장 빠르다.
- 레지스터의 크기는 워드를 구성하는 비트 개수만큼의 플립플롭으로 구성
- 워드의 크기가 16Bit => 레지스터는 16개의 플립플롭이나 래치로 구성
- 저장값을 0으로 하는 것을 설정해제(CLR)
자료전송
- 직렬 전송 : 직렬 시프트 마이크로 오퍼레이션, 느림
- 병렬 전송 : 하나의 클록펄스 동안 워드가 동시에 전송
- 버스 전송 : 모든 레지스터가 공통으로 이용하는 경로, 병렬에 비해 결선의 수를 줄일 수 있다.
주요 레지스터
- PC : 프로그램 카운터, 다음번 실행할 명령어의 번지를 기억하는 레지스터로 분기 명령이 실행되는 경우 그 목적지 주소로 갱신
- IR : 명령레지스터, 현재 실행중인 명령의 내용을 기억하는 레지스터
- AC : 누산기, 연산된 결과를 일시적으로 저장하는 레지스터
- PSWR : Status Register, Program Status Word Register, Flag Regiester
- 시스템 내부의 순간 상태가 기록된 정보를 PSW라 한다.
- 오버플로, 언더플로, 자리올림, 계산상태, 인터럽트 등의 PSW를 저장하는 레지스터
- 프로그램 제어와 밀접한 관계
- MAR : 메모리 주소 레지스터, 데이터의 번지를 기억하는 레지스터
- MBR : 메모리 버퍼 레지스터, 데이터가 잠시 기억되는 레지스터, CPU가 데이터를 처리하기 위해서 반드시 거처야한다.
- Base Register : 명령이 시작되는 시작 번지를 기억하는 레지스터
- Index Register : 주소의 변경, 서브루틴 연결 및 프로그램에서의 반복연산의 횟수를 세는 레지스터로 프로그래머가 내용을 변경할 수 있다.
- Data Register : 연산에 사용될 데이터를 기억하는 레지스터
- Shift Register : 저장된 값을 미는 연산을 하는 레지스터, 2배 길이 레지스터
- Major Status Register : CPU의 현재상태(인출, 간접, 실행, 인터럽트)를 저장하고 있는 레지스터
버스
- CPU, 메모리, I/O장치와 상호 필요한 정보를 교환하기 위해 연결하는 전송선
- 내부회로에서 버스를 사용하는 목적은 결선의 수를 줄이기 위해서다.
종류
- 제어 버스 : Control Bus, 양방향 전송선, 제어신호 전송
- 주소 버스 : Address Bus, 번지 버스, 단방향 전송선, 번지 지정
- 데이터 버스 : Data Bus, 자료 버스, 양방향 전송선, 데이터 전송
- 내부버스 : CPU 및 메모리에 구성된 버스
- 외부버스 : 주변 I/O장치에 구성된 버스
명령어
OP code부, Mode부, Operand부로 구성
연산자부
- Operation Code부 = OP Code
- 연산자부의 크기는 표현할 수 있는 명령의 종류를 나타내는 것
- nBit일 때 최대 2^n의 명령어 표현 가능
모드부
- Mode부
- 주소부의 유효 주소가 결정되는 방법을 지정
- 0이면 직접, 1이면 간접
자료부
- Operand부 = 오퍼랜드부 = 주소필드
- 실제 데이터에 대한 정보를 표시하는 부분
- 주소, 레지스터 번호, 사용할 데이터 등을 표시
- 자료부의 크기는 메모리 용량과 관계가 있다.
설계시 고려사항
- 연산자의 종류
- 명령어 형식
- 주소지정방식
- 데이터 구조
- 효율성 제고방안 : 기억공간, 사용빈도, 주소지정방식, 주기억장치의 대역폭 이용
기능
함수 연산, 자료전달, 제어, 입출력 기능
함수 연산 기능
- 산술연산 : ADD, SUB, MUL, DIV, 산술 Shift
- 논리연산 : NOT, AND, OR, XOR, 논리 Shift, Rotate, Complement, Clear
- 단항연산 : NOT, Complement, Shift, Rotate, Move
- 이항연산 : 사칙, AND, OR, XOR, XNOR
- 연산자 우선순위
- 산술연산자 : 거듭제곱 > 곱=나눔 > 덧,뺄
- 관계연산자
- 논리 연산자 : NOT > AND > OR
자료 전달 기능
- Load : 기억장치 => CPU
- Store : CPU => 기억장치 저장
- Move : 레지스터간 자료 전송
- Push : 스택에 자료 저장
- Pop : 스택에서 자료 꺼냄
제어 기능
- 무조건 분기 :
GOTO, JMP (PC <- X) - 조건 분기 : IF, SPA, SNA, SZA
- SPA : Skip if AC is Positive
- SNA : Skip if AC is Negative
- SZA : Skip if AC is Zero
- Call : 부 프로그램 호출
- Return : 부 프로그램에서 복귀
입출력 기능
- Input
- Output
연산
AND
- 특정 비트를 삭제(Clear)하는 연산
- Masking 연산
OR
- 특정 비트를 1로 만드는 연산
- Selective Set 연산
XOR
- 두 개의 데이터를 비교하거나 특정 비트를 반전시킬 때 사용
- 결과에 1Bit라도 1이 있으면 서로 다른 데이터
- 반전시킬 Bit를 1과 XOR
NOT
- 그냥 반전
논리 Shift
- 0을 삽입해 비트를 좌우로 한칸씩 민다.
Rotate
- Shift에서 밀려나간 비트를 반대편으로 가져와 입력하는 연산
- 문자 위치를 변환할 때 사용
산술 Shift
- 부호를 고려하여 자리를 이동시키는 연산
- 2^n으로 곱하거나 나눌 때 사용
- 왼쪽으로 Shift시 2^n을 곱한 값과 같음
- 오른쪽으로 Shift시 2^n을 나눈 값과 같음
- 홀수를 오른쪽으로 Shift시에 0.5의 오차 발생
- 정수 표현 방식에서만 사용 가능
- 정수 수치 표현 방법에 따라 Padding Bit 및 결과가 다름
Shift Left
- 부호화 절대치, 2의 보수법은 무조건 0
- 1의 보수법은 부호 비트와 같은 0, 1
Shift Right
- 부호화 절대치는 0
- 1의 보수법, 2의 보수법은 부호 비트와 같은 0, 1
명령어 형식
3주소 명령어
- Operand부가 세 개로 구성되는 명령어 형식
- **GPR(범용 레지스터)**를 가진 컴퓨터에서 사용
- 연산의 결과는 Operand 1에 주로 기록 (컴퓨터에 따라 Operand 3에도 기록)
장점
- 연산시 원래 자료를 파괴하지 않음
- 다른 형식의 명령어를 이용하는 것보다 프로그램 전체의 길이가 짧음
- 전체 프로그램 실행시 명령인출을 위해 주기억장치를 접근하는 횟수 감소
단점
- 명령어 한 개의 길이가 너무 길어짐
- 하나의 명령을 수행하기 위해 최소한 4번 기억장소에 접근해야함
- 수행시간이 길다.
2주소 명령어
- Operand가 두 개로 구성되는 일반적인 명령어 형식
- 여러 개의 **GPR(범용 레지스터)**를 가진 컴퓨터에서 사용
장점
- 실행 속도가 빠르고 기억장소를 많이 차지하지 않음
- 3주소 명령에 비해 명령어의 길이가 짧음
- 계산결과가 기억장치에 기억되고 CPU에도 남아 있어 계산 결과를 시험할 때 시간이 절약된다.
단점
- 연산 결과가 주로 Operand1에 저장되므로 원래 Operand1에 있던 자료는 파괴된다.
- 전체 프로그램의 길이가 길어진다.
1주소 명령어
- Operand가 한 개로 구성된 명령어 형식
- AC를 이용하여 명령어를 처리하므로 결과도 누산기에 저장된다.
0주소 명령어
- Operand부 없이 OPCode만으로 구성
- 모든 연산은 Stack 메모리의 Stack Pointer가 가리키는 Operand를 이용하여 수행
- 스택 머신
- 인스트럭션 수행시간이 짧다.
- 기억공간 이용이 효율적
- 수식을 계산하기 위해선 Postfix 형태로 변경해야한다.
- 연산 결과를 다시 스택에 넣기 때문에 원래의 자료가 남지 않는다.
주소지정방식
고려사항
- 표현의 효율성 : 빠르게 접근가능하고, 주소지정에 적은 비트를 사용해야하며 다양항 Address 모드를 사용할 수 있어야한다.
- 사용의 편리성 : 프로그램 작업을 위해 포인터, 프로그램 리로케이션 등의 편의를 제공해야한다.
- 주소공간과 기억공간의 독립성 : 프로그램에서 사용한 주소를 변경 없이 실제 기억공간 내의 주소로 재배치할 수 있도록 서로 독립적이여야한다.
- 주소공간 : 보조기억장치 내의 기억공간
- 기억공간 : 주기억장치 내의 기억공간
암시적 주소지정방식
- 명령 실행에 필요한 데이터의 위치를 지정하지 않고 누산기나 스택의 데이터를 묵시적으로 지정하여 사용
- 오퍼랜드가 없는 명령이나 오퍼랜드가 1개인 명령어 형식에 사용
즉시적 주소지정방식
- 명령어 자체에 오퍼랜드를 가지고 있는 방식
- 별도의 기억장소를 액세스하지 않기 때문에 실행 속도가 빠르다.
- 데이터 값 범위가 제한적이다.
직접 주소지정방식
- 오퍼렌드부에 표현된 주소를 이용해 실제 데이터가 기억된 기억장소에 직접 매핑
- 실제 사용할 데이터의 유효주소를 적기 때문에 주소 길이에 제약을 받음
- nBit 오퍼랜드부 => 2^n 개의 주소 표현 가능
- 오퍼렌드부에 데이터를 가지고 있는 레지스터의 번호를 지정하면 레지스터 모드
간접 주소지정방식
- 주기억장치를 두 번 이상 접근하여 데이터가 있는 기억장소에 도달
- 오퍼랜드부에 할당된 비트 수로 주소를 나타낼 수 없을 때 사용하는 방식
- 명령어의 길이가 짧고 제한되어도 긴 주소에 접근이 가능한 방식
- 레지스터 간접모드
계산에 의한 주소지정방식
- 오퍼랜드부와 CPU의 특정 레지스터 값이 더해져서 유효주소를 계산하는 방식
- 약식 주소
- 상대주소 : 명령어 주소 + PC
- 베이스 레지스터 : 명령어 주소 + Base Register
- 명령어의 시작주소를 가지고 있는 레지스터
- 베이스 레지스터의 값과 명령어에 포함된 변위값을 더해 유효주소를 얻는 것을 재배치라고 한다.
- 인덱스 레지스터 : 명령어 주소 + Index Register
마이크로 오퍼레이션
- 인스트럭션을 수행하기 위해 CPU 내의 레지스터와 플래그가 의미있는 상태변환을 하도록하는 동작
- 레지스터에 저장된 데이터에 의해 이루어진다.
- 한 개의 클록펄스 동안 실행되는 기본 동작
- 모든 마이크로 오퍼레이션은 CPU의 클록펄스에 맞춰 실행된다.
- 순서를 결정하기 위해 제어장치가 발생하는 신호를 제어신호
- 제어워드 : 레지스어틔 선택과 산술논리연산장치의 역할을 결정하고 어떤 마이크로 연산을 할 지 결정하는 비트의 모임 = 마이크로 명령어
- 마이크로 프로그램 : 제어워드가 저장되 있을 때 마이크로 프로그램
마이크로 사이클 타임
- 한 개의 마이크로 오퍼레이션을 수행하는데 걸리는 시간
- CPU는 클록펄스에 의해 동기화되어 동작하는데 펄스를 CPU 클록이라하며 한 개의 마이크로 오퍼레이션은 CPU 클록 발생 주기의 간격 내에 실행된다.
- CPU Cycle Time = CPU Clock Time
- CPU 속도를 나타내는 척도
- 1us = 10^-6s, 1ns = 10^-9s
동기 고정식
- 모든 마이크로 오퍼레이션 동작시간이 같다고 가정해 클록 주기를 마이크로 사이클 타임과 같도록 정의하는 방식
- 동작 시간이 가장 긴 마이크로 오퍼레이션의 동작시간을 마이크로 사이클 타임으로 정한다.
- 모든 마이크로 오퍼레이션 동작시간이 비슷할 때 유리하다.
- CPU 낭비가 심하다.
- 구현이 쉽다.
동기 가변식
- 수행시간이 유사한 마이크로 오퍼레이션끼리 그룹을 만들어 그룹별로 서로 다른 마이크로 사이클 타임을 정의하는 방식
- 수행시간이 현저한 차이를 나타낼 때 사용
- CPU 시간 낭비를 줄일 수 있다.
- 구현이 복잡하다.
- 각 그룹(집합) 간 서로 다른 사이클 타임의 동기를 맞추기 위해 그룹간 마이크로 사이클 타임을 정수배가 되게 한다.
비동기식
- 모든 마이크로 오퍼레이션이 서로 다른 마이크로 사이클 타임을 가진다.
- 시간 낭비는 없다.
- 구현이 매우 복잡하다.
- 실제로 거의 사용되지 않는다.
메이저 스테이트
- 현재 CPU가 무엇을 하고 있는가를 나타내는 상태
- Fetch, Indirect, Execute, Interrupt
- Major Cycle = Machine Cycle
- 메이저 스테이트 레지스터를 통해 알 수 있다.
- F와 R 플립플롭의 상태에 따라 메이저 스테이트 상태가 결정된다.
Fetch Cycle
- 인출단계
- 중앙처리장치의 명령 레지스터로 명령어를 가져와 해독하는 단계
- 가장 먼저 수행되는 동작
- 1Cycle 명령어면 수행 후 다시 Fetch Cycle로 변경됨
- 1Cycle 명령어가 아니면 모드 비트에 따라 직 간접 주소를 판단
- 모드가 0이면 직접주소 => Execute 단계로
- 모드가 1이면 간접주소 => Indirect 단계로
| Click Pulse | Micro Operation | Description |
|---|---|---|
| C0t0 | MAR ← PC | PC의 번지를 MAR으로 전송 |
| C0t1 | MBR ← M[MAR] PC ← PC +1 | MAR의 지정하는 위치의 값을 MBR에 전송 후 다음 시행할 명령 위치를 지정 |
| C0t2 | IR ← MBR[OP] I ← MBR[I] | 명령어의 OPCode를 명령 레지스터에 전송 명령어의 모드 비트를 플립플롭 I에 전송 |
| C0t3 | F ← 1 OR R ← 1 | I에 따라 F나 R에 1 전송 |
- PC : 다음 실행할 명령의 주소가 들어있음
- MAR : 저장하거나 읽어올 주기억장치의 주소가 들어있음
- MBR : 주기억장치에서 읽어오거나 저장할 데이터가 들어있음
- M[MAR] : 메모리에서 MAR에 해당하는 실제 데이터
- IR : 현재 실행하는 명령어가 들어있음
- OP : 명령 코드 부분
- I : 모드 비트
- AD : 명령 주소 부분
- F, R : 다음 상태를 지정하는 플립플롭
Indirect Cycle
- Fetch 단계에서 해석한 주소를 읽어온 후 간접주소이면 유효주소를 계산하기 위해 다시 Indirect 단계를 수행
- 직접주소인 경우 Execute 단계 또는 Fetch 단계로 이동
- 분기같은 1Cycle 명령이면 Fetch로
- 실행이면 Execute로
| Click Pulse | Micro Operation | Description |
|---|---|---|
| C1t0 | MAR ← MBR[AD] | MBR에 있는 명령어의 주소를 MAR에 전송 |
| C1t1 | MBR ← M[MAR] | MAR이 지정하는 메모리의 실제 데이터를 MBR에 전송 |
| C1t2 | - | 동작없음 |
| C1t3 | F ← 1, R ← 0 | Execute 단계로 이동 |
Execute Cycle
- 해석된 명령을 실행하는 단계
- 플래그 레지스터의 상태를 검사하여 Interrupt 단계로 갈지 결정
| Click Pulse | Micro Operation | Description |
|---|---|---|
| C2t0 | MAR ← MBR[AD] | MBR에 있는 명령어의 주소를 MAR에 전송 |
| C2t1 | MBR ← M[MAR] | MAR이 지정하는 메모리의 실제 데이터를 MBR에 전송 |
| C2t2 | AC ← AC + MBR | 누산기에 값과 MBR의 값을 더해 ADD 연산 실행 |
| C2t3 | F ← 0 OR R ← 1 | F = 0이면 Fetch로, R = 1이면 Interrupt로 |
Interrupt Cycle
- 인터럽트 발생시 복귀주소를 저장시키고 인터럽트 처리 프로그램의 첫 번째 명령으로 제어순서를 옮긴다.
- 인터럽트 단계는 항상 Fetch 단계로 이동된다.
- 메모리의 인터럽트 주소는 0번지에 저장되고, 인터럽트 벡터는 인터럽트 처리 프로그램의 주소 번지를 말한다.
- 현재 상태를 저장하고 인터럽트가 처리된다.
- 인터럽트 처리시 다음 실행주소를 PC에 넣고 인터럽트 벡터로 이동한다.
| Click Pulse | Micro Operation | Description |
|---|---|---|
| C3t0 | MBR[AD] ← PC PC ← 0 | 다음 실행 명령 주소를 MBR의 주소로 전송 복귀주소를 저장할 0번지를 PC에 전송 |
| C3t1 | MAR ← PC PC ← PC + 1 | PC가 가진 0값 번지를 MAR에 전송 인터럽트 벡터 위치를 지정하기 위해 PC 값을 1로 세팅 |
| C3t2 | M[MAR] ← MBR IEN ← 0 | MBR에 있는 다음 실행 명령 주소를 0번지에 저장 다른 인터럽트가 발생하지 않게 IEN에 0 전송 |
| C3t3 | F ← 0, R ← 0 | 항상 Fetch로 |
주요 마이크로 오퍼레이션
AND
- AC와 메모리의 내용을 AND 연산해서 AC에 저장
- 논리곱 연산
- AC ← AC ∧ MBR
ADD
- AC와 메모리의 내용을 더해서 AC에 저장
- AC ← AC +MBR
LDA
- 메모리의 내용을 AC로 Load하는 명령
- AC에 0을 전송하여 AC를 초기화하는 부분이 있어야함
- AC ← 0
- AC ← AC + MBR
STA
- AC의 내용을 메모리에 저장
- M[MAR] ← MBR
BUN
- 실행 명령의 위치를 변경하는 무조건 분기
- Branch UNconditionally
- PC ← MBR[AD]
BSA
- 복귀주소를 저장하고 부 프로그램을 호출하는 명령
- Branch and Save Return Address
| Click Pulse | Micro Operation | Description |
|---|---|---|
| C2t0 | MAR ← MBR[AD] MBR[AD] ← PC PC ← MBR[AD] | 복귀주소를 MAR에 전송 PC의 값을 MBR의 주소로 전송 부프로그램 호출직전 MBR의 주소를 PC로 전송 |
| C2t1 | M[MAR] ← MBR[AD] | 부프로그램 호출직전 복귀주소 저장 |
| C2t2 | PC ← PC + 1 | 부 프로그램 시작 |
| C2t3 | F ← 0 OR R ← 1 | Fetch 또는 Interrupt |
ISZ
- 메모리의 값을 읽고 값을 1 증가 시킨 후 그 값이 0이면 현재 명령을 건너 뛰고 다음으로 이동
- IF(MBR=0) THEN ← PC + 1
제어기
제어데이터
- 제어장치가 제어신호를 발생하기 위한 자료
- CPU가 특정한 메이저 상태와 타이밍 상태에 있을 때 제어 자료에 따른 제어 규칙에 의해 발생한다.
종류
- 메이저 스테이트 사이의 변천을 제어하는 데이터
- 중앙처리장치의 제어점을 제어하는 데이터
- 인스트럭션의 수행 순서를 결정하는데 필요한 제어데이터
단계
| 구분 | State간 변이 | 제어점 제어 | 수행 순서제어 |
|---|---|---|---|
| Fetch | 명령어의 주소지정방식 | 명령어 | PC |
| Indirect | 주소지정방식 | 유효주소 | - |
| Execute | 인터럽트 요청 | 명령어 연산자 | PC |
| Interrupt | - | Interrupt따라 다름 | Interrupt따라 다름 |
구현
- 하드웨어적 고정배선제어장치
- 소프트웨어적 마이크로 프로그래밍 기법
고정배선 제어장치
- 독립 제어점에 제어신호를 가해야 할 조건들을 제어 데이터와 제어기의 상태로 표현한 후 이를 만족하는 조합논리회로를 설계하여 해당 제어점에 연결하는 방식
- 하드웨어적 구성방법
- 속도 빠름
- 비싸다.
- RISC구조를 기본으로 하는 컴퓨터에서 주로 사용
- 한 번 만들어진 명령어 세트를 변경할 수 없음
- 회로 구성이 복잡
마이크로 프로그래밍
- 내부 제어 신호를 지정하는 여러가지 마이크로 인스트럭션으로 작성하는 것
- 소프트웨어적 구성방법
- 펌웨어를 이용하는 방식
- 마이크로 프로그램된 제어장치를 사용하는 컴퓨터는 주 메모리 외에 마이크로 프로그램이 저장되는 제어메모리(ROM)이 필요하다.
- 명령어 세트를 쉽게 변경할 수 있다.
- 다양한 어드레스 모드를 갖음
- 속도 느림
- 유지보수 및 수정 용이
- 복잡한 명령 세트를 가진 시스템에 적합
제어 메모리 번지 결정
- 제어 주소 레지스터(CAR) : 값을 1 증가
- 매핑의 결과값
- 주소 필드
- 서브루틴 레지스터 데이터
- 명령 레지스터(IR) : 지정하는 번지로 무조건 분기, 주소 필드로부터 제어 메모리의 주소로 매핑
- 상태 레지스터(SR) : 조건에 따른 분기
- 서브루틴의 호출(call)과 복귀(return)
형식
수평 마이크로 명령
- Horizontal Micro Instruction
- 한 비트가 한 개의 마이크로 동작을 관할하는 명령
- 마이크로 오퍼레이션 부가 nBit일 때 n개의 마이크로 동작 표현 가능
- 제어 비트를 디코딩 할 필요가 없다.
- 마이크로 명령 한 개로 여러 개의 하드웨어를 동시에 동작시킬 수 있다.
- 제어 워드의 길이가 길어진다.
- 비트가 충분히 활용되지 못함.
- 비용이 많이 든다.
수직 마이크로 명령
- Vertical Micro Instruction
- 제어 메모리 외부에서 디코딩 회로를 필요로 하는 마이크로 명령
- 디코더의 출력을 제어신호로 사용
- 한 개의 마이크로 동작만 제어 가능
나노 명령
- Nano Instruction
- 나노메모리(낮은 레벨의 메모리)에 저장된 마이크로 명령
- 수직 마이크로 명령을 수행하는 제어기에서 디코더를 ROM(나노메모리)로 바꿔 두 메모리 레벨로 구성
- 제어 메모리의 각 워드는 나노 메모리의 번지를 저장
제어장치 구현방식
- 상태 플리플롭 제어
- PLA (Programmable Logic Array)
- 마이크로 프로그램 제어
입출력장치
입출력 제어장치
- 입출력장치와 컴퓨터 사이의 자료 전송을 제어하는 장치
- 데이터 버퍼 레지스터를 이용하여 두 장치간의 속도 차를 조절 = 데이터 버퍼링
- 제어 신호의 논리적, 물리적 변환 및 오류를 제어
- DMA, 채널, 입출력 프로세서, 입출력 컴퓨터가 포함된다.
입출력 인터페이스
- 동작방식이나 데이터 형식이 다른 컴퓨터 내부의 장치끼리 2진 데이터를 원활하게 전송하기 위함
- CPU와 주변장치의 전송속도, 동작방식, 워드형식의 차이 제어
- 동작방식이 다른 주변장치끼리의 차이 제어
입출력 버스
- 주기억장치와 입출력장치 사이의 데이터 전송을 위해 모든 주변장치의 인터페이스에 공통으로 연결된 버스
- 구성
- 데이터 버스
- 주소 버스
- 제어 버스
기억장치와 입출력장치의 차이
- 기억장치 : 전자적, 빠르다, 타율, 오류 적음, Word단위
- 입출력장치 : 기계적, 느리다, 자타율, 오류 많음, Byte(문자)단위
비동기 데이터 전송
- 비동기 데이터 전송을 하기 위해선 데이터 전송시각을 알기 위한 제어신호를 서로 교환하여 송수신 상태를 서로 맞춰야한다.
스트로브 펄스
- Strobe Pulse
- 데이터 버스와 한 개의 제어선
- 스트로브 신호 : 두 개의 독립적인 장치 사이의 비동기적인 데이터 전송을 하기 위해 전송 시각을 알리는 제어 신호
- 메모리와 CPU 사이의 정보를 교환할 때 사용
- 수신장치가 데이터를 받았는지는 모름
핸드쉐이킹
- 데이터 전송시 송신측과 수신측에서 입출력의 준비나 완료를 나타내는 신호를 사용하여 서로의 동작을 확인하면서 데이터를 전송
- 전송을 시작한 장치에 응답하는 제 2의 제어신호를 전송
- 높은 융통성과 신뢰성
- 병렬 입출력 데이터 전송방식의 기본으로 많이 사용
- 2~3개의 제어선 사용
- RDY, STB 신호 사용
스풀링
- 다중 프로그래밍 환경 아래에서 용량이 크고 신속한 액세스가 가능한 디스크를 이용해 각 사용자 프로그램이 입출력할 데이터를 직접 입출력장치로 보내지 않고 디스크에 모았다가 한꺼번에 입출력 시키는 방법
- 입출력장치의 공유 및 느린 처리속도를 보완
- 디스크의 일부를 매우 큰 버퍼로 사용한다.
- 큐 방식의 입출력을 수행
- Simultaneous Peripheral Operation OnLine
- 보조기억장치에 저장
- 다중 작업
- 소프트웨어 구현
버퍼링
- 입출력 장치와 CPU의 속도차를 해결하기 위해 사용
- 주기억 장치에 저장
- 단일 작업
- 하드웨어 구현
입출력 제어방식
- 입출력 처리 능력 순서 : 프로그램 < 인터럽트 < DMA < 채널
Programmed I/O
- 폴링
- 원하는 I/O가 완료되었는지 여부를 검사하기 위해 CPU의 Status Flag를 계속 조사해 I/O가 완료되었으면 MDR(MBR)과 AC사이의 자료 전송도 CPU가 직접 처리하는 방식
- 입출력의 대부분을 CPU가 해준다.
- MDR(MBR), Flag(PSW), 장치번호 디코더로 구성
- CPU가 계속 I/O에 관여해야되기 때문에 비효율적
Interrupt I/O
- 데이터 전송 준비가 되면 입출력 인터페이스가 컴퓨터에게 알려 I/O가 이루어지는 방식
- 입출력 인터페이스가 CPU에게 인터럽트 신호를 전송
- 수행중인 프로그램의 인스트럭션을 끝내고 I/O 처리후 다시 복귀
- 대량 자료 전송시 CPU에 부담
DMA I/O
- Direct Memory Access
- 입출력장치가 직접 주기억장치를 접근하여 데이터 블록을 입출력하는 방식
- I/O가 CPU를 경유하지 않음
- CPU는 I/O에 필요한 정보를 DMA 제어기에 전달해 I/O동작만을 개시하고 끝
- I/O 장치의 주소
- 데이터 있는 주기억장치의 시작 주소
- DMA 시작 명령
- I/O 데이터 양
- 입력 또는 출력을 결정하는 명령
- 빠른 데이터 전송 가능
- DMA는 인터럽트 신호를 발생해 CPU에게 I/O 종료를 알림
- 블록으로 대용량 데이터 전송 가능
- CPU의 Cycle Steal 해 메모리를 접근하여 I/O 데이터를 전송
- 데이터 채널과 CPU가 주기억장치를 동시에 접근할 때 우선순위를 전자에게 줌
- CPU는 그동안 메모리 참조가 필요없는 오퍼레이션을 계속 진행
- CPU의 상태 보존이 필요 없음
- CPU와 DMA 제어기는 메모리와 버스를 공유
- 명령 받고 => 버스 사용 요구 => 버스 사용 허가 => 데이터 전송 => 인터럽트 전송
- 한 개의 인스트럭션에 의해 한 개의 블록을 입출력
구성
- 인터페이스 회로
- 주소 레지스터 및 주소 라인
- 워드 카운트 레지스터 = 단어 계수기
- 제어 레지스터
- 데이터 레지스터
Channel I/O
- I/O 프로세서
- I/O를 위한 특별한 명령어를 I/O 프로세서에게 수행토록 하여 CPU 관여 없이 주기억장치와 입출력장치 사이에서 I/O를 하는 전용 프로세서
- DMA의 한계를 극복하기 위해 고안
- DMA의 방법으로 입출력을 수행하지만 확장된 개념
- 채널 제어기는 채널 명령어로 작성된 채널 프로그램을 해독하고 실행하여 I/O 처리
- CPU로 I/O 명령어를 받으면 CPU와는 독립적으로 동작
- 주기억장치에 저장된 채널 프로그램의 수행과 데이터 전송을 위해 주기억장치에 직접 접근
- I/O 장치는 제어장치를 통해 채널과 연결
- I/O 채널은 CPU의 I/O 명령을 수행하지 않고 I/O 채널 내의 특별한 명령어를 수행
- CPU와는 인터럽트로 통신
- 한 개의 인스트럭션에 의해 여러 개의 블록을 입출력
- 입출력장치와 주기억장치를 연결하는 중개자
- 입출력 전담장치
- 입출력 장치와 CPU사이의 존재하는 현저한 속도차를 극복하기 위한 장치
- CPU의 명령을 받고 입출력을 시작하면 CPU와는 독립적으로 조작하는 장치
채널 명령어
- 명령코드
- 데이터 주소
- 플래그
- 워드 카운터
종류
- Selector Channel
- 선택 채널
- 고속 입출력장치(자기로 시작하는 친구들)와 입출력하기 위해 사용
- 특정 한 개의 장치를 독점해서 입출력
- MultiPlexer Channel
- 다중채널
- 저속 입출력장치(카드리터, 프린터)를 제어하는 채널
- 동시에 여러 개의 입출력장치 제어
- Block Multiplexer Channel
- 고속 입출력장치를 제어
- 동시에 여러 개의 입출력장치 제어
인터럽트
- 프로그램 실행 도중 예기치 않은 상황이 발생하는 경우 현재 작업을 즉시 중단하고 발생된 상황을 우선 처리 후 실행 중인 작업으로 복귀
- 내부 인터럽트는 CPU의 하드웨어 신호에 의해 발생
- 소프트웨어 인터럽트는 명령어의 수행에 의해 발생
외부 인터럽트
- 입출력장치, 타이밍장치, 전원 등 외부 요인에 의해 발생
- 전원 이상 인터럽트 : 정전이거나 정원이상
- 기게 착오 인터럽트 : CPU의 기능적인 오류 동작 발생
- 외부 신호 인터럽트
- Time Slice 를 알림
- 인터럽트 키를 누른 경우 (Ctrl + Alt + Del)
- 외부 장치로부터 인터럽트 요청이 있는 경우
- 입출력 인터럽트
- 입출력 데이터의 오류나 이상현상 발생
- 입출력장치가 데이터 전송을 요구하거나 전송이 끝났을 때
내부 인터럽트
- 잘못된 명령이나 데이터를 사용할 때 발생
- 트랩
- 프로그램 검사 인터럽트
- 0으로 나누기
- 오버플로 또는 언더플로
- 프로그램에서 명령어 잘못 사용
- 부당한 기억장소의 참조
- 프로그램상 오류
소프트웨어 인터럽트
- 프로그램 처리중 명령의 요청에 의해 발생
- SVC 인터럽트
- 제어 프로그램 호출 인터럽트 = SuperVisor Call
- 사용자가 SVC 명령을 써서 의도적으로 호출한 경우
- 복잡한 입출력 처리를 해야하는 경우
- 기억장치 할당 및 오퍼레이터와 대화를 해야하는 경우
인터럽트시 CPU확인 요소
- 프로그램 카운터 내용
- 사용한 모든 레지스터의 내용
- 상태 조건의 내용 = PSW = Status Register
동작 원리
- 인터럽트 요청 신호 발생
- 현재 인스트럭션까지 실행 후 프로그램 실행 중단
- 현재 프로그램 상태 보존
- 인터럽트 처리 루틴 실행
- 인터럽트 서비스(취급) 루틴 실행
- 처리기 상태 복구
- 인터럽트 원인 결정
- 처리기 레지스터의 상태 보존
- 상대적으로 낮은 레벨의 마스크 레지스터 클리어
- 상태 복구
- 중단된 프로그램 실행 재개
인터럽트 우선순위
- 전원 이상 = Power Fail
- 기계 착오 = Machine Check
- 외부 신호 = External
- 입출력 = I/O
- 명령어 잘못
- 프로그램 = Program Check
- SVC = Supervisor Call
- Non Maskable Interrupt : 마스크 불가능 인터럽트로 0순위
폴링
- 소프트웨어적 인터럽트 우선순위 판별 방식
- 우선순위가 높은 인터럽트 자원의 인터럽트 요청 플래그를 검사해 해당하는 인터럽트 서비스 루틴을 수행
- 우선순위 변경이 쉽다.
- 자기디스크와 같이 속도가 빠른 장치에 높은 등급 부여
- 회로가 간단하고 융통성이 있음
- 별도의 하드웨어가 필요 없어 경제적
- 많은 인터럽트가 있을 때 모두 조사해야하므로 반응시간이 느림
벡터 인터럽트
- 하드웨어적인 인터럽트 판별 방식
- CPU와 인터럽트를 요청할 수 있는 장치 사이에 장치 번호에 해당하는 버스를 연결하여 요청 장치의 번호를 CPU에게 알리는 방식
- 인터럽트를 발생한 장치가 프로세서에게 분기할 곳에 대한 정보를 제공
- 인터럽트 벡터 : 인터럽트 처리 루틴으로 분기하는 명령어만을 기억하는 기억장치의 특정 영역으로 분기번지가 저장됨
- 별도의 프로그램 루틴이 없어 응답속도가 빠름
- 회로가 복잡하고 융통성이 없음
- 추가 하드웨어가 필요하므로 비경제적
직렬 우선순위
- 데이지 체인 방식
- 모든 장치를 한 개의 회선에 직렬로 연결
병렬 우선순위
- 인터럽트가 발생하는 각 장치를 개별적인 회선으로 연결
- 각 비트를 개별적으로 세트할 수 있는 Mask Register 사용
- 마스크 레지스터는 인터럽트 요청의 허락이 가능하다.
- 우선순위는 마스크 레지스터의 비트 위치에 의해서 결정
- 우선순위가 높은 것이 서비스 받고 있을 때 우선순위가 낮은 것을 비활성화시킬 수 있다.
- 높은 우선순위의 인터럽트는 낮은 인터럽트가 처리되는 중에도 우선 처리된다.
기억장치
- 주기억장치 : 시스템 프로그램영역과 사용자 프로그램영역으로 구성
- 반도체 : RAM, ROM
- 자기 : 자기 코어
- 보조기억장치
- DASD : 자기 디스크, 자기 드럼, 하드 디스크, 광디스크
- SASD : 자기테이프
- 특수기억장치 : 복수 모듈 기억장치, 연관기억장치, 캐시기억장치, 가상기억장치
- 광디스크의 종류 : 블루레이, DVD, Compact
계층구조
- 특수기억장치 : 레지스터, 캐시, 연관
- 주기억장치 : RAM, ROM, 자기코어
- 보조기억장치 : 자기디스크, 자기테이프
특성 결정 요소
기억 용량
Access Time
- 기억장치에 읽기 요청이 발생한 시간부터 요구한 정보를 꺼내서 사용 가능할 때까지의 시간
- 한 Word의 단위 정보를 읽거나 기록하는데 걸리는 시간
- Access Time = Seek Time + Latency Time(Search Time) + Transmission Time
Cycle Time
- 기억장치에 읽기 신호를 보낸 후 다시 읽기 신호를 보낼 수 있을 때까지의 시간 간격
- Cycle Time ≥ Access Time
- DRAM : Cycle Time = Access Time + Refresh Time
- 자기코어 : Cycle Time = Access Time + Restoration Time
- 기타 모든 장치 : Cycle Time = Access Time
Bandwitdh
- 대역폭 = 전송률 = 밴드폭
- 메모리에서 또는 메모리까지 1초동안 전송되는 최대한의 정보량
- 기억장치의 자료 처리 속도를 나타내는 단위
- 하드웨어 특성상 주기억장치가 제공할 수 있는 정보 전달능력의 한계를 의미
- 메모리 워드의 길이가 작을수록 대역폭이 좋음
- 전송단위 : bps = Baud = 보
구분
| 구분방식 | 내용 |
|---|---|
| 내용보존여부 | 파괴성 메모리 : 읽으면 내용이 파괴되므로 재저장시간이 필요 비파괴성 메모리 |
| 전원차단시 내용소멸여부 | 휘발성메모리 : RAM 비휘발성 메모리 : ROM, 자기코어, 보조기억장치 |
| 재충전 여부 | 정적메모리(SRAM) : 전원이 공급되면 내용이 계속 유지 전원이 공급되도 일정시간 후 내용 지워져 재충전필요 |
| 접근 방식 | 순차접근 : 자기테이프 직접접근 : 자기테이프 제외 모든장치 |
주기억장치
ROM
- Read Only Memory
- 읽기전용
- 비휘발성 메모리
- BIOS, 자가진단프로그램 등 변경 가능성이 거의 없는 시스템 소프트웨어 탑재
종류
- Mask ROM : 제조 공장에서 프로그램되어 나옴, 내용 변경 불가
- PROM : Programmable ROM, 한 번만 쓰기 가능
- EPROM : Erasable PROM, 자외선을 사용해 내용을 지울 수 있음
- EAROM : Erasable Alterable ROM, 전기적 특성을 이용하여 기록된 정보 일부를 바꿀 수 있는 ROM
- EEPROM : Electonic EPROM, 전기를 이용해 내용 수정 가능
RAM
- Random Access Memory, Read Write Memory
- 현재 사용중인 프로그램이나 데이터가 저장
- 휘발성 메모리 = Volatile Memory
- 정보가 저장된 위치는 주소로 구분
| 구분 | 동적 램 | 정적 램 |
|---|---|---|
| 구성 | 콘덴서 | 플리플롭 |
| 특징 | 방전되므로주기적인 재충전 | 전원 공급시에 계속 유지 |
| 소모전력 | 적음 | 많음 |
| 속도 | 느림 | 빠름 |
| 집적도 | 높음 | 낮음 |
| 가격 | 저가 | 고가 |
| 용도 | 일반적 | 캐시메모리 |
자기 코어
- 전류 일치 기술에 의하여 기억장소를 선별
- 데이터를 읽으면 내용이 지워지는 파괴 메모리
- Dectructive Read Out Memory
- 내용을 읽은 후 지워진 내용을 기록하기 위한 재저장 시간 필요
- 현재 거의 사용되지 않음
구성
- 구동선 : X,Y축 번지 선택선 2개
- 센스선 : 자기 코어의 상태를 검출하는 선 1개
- 금지선 : 불필요하게 자화되었을 때 금지 전류를 흘려 자화를 소진시키는 선 1개
반도체 기억소자 구성
RAM
- CS1, CS2 : 칩 선택선
- RD : 입력 신호선
- WR : 출력 신호선
- AD : 주소선
- MAR과 PC의 수와 같음
- 주소선이 n개이면 2^n개의 워드 지정 가능
- Data Bus : 워드의 크기
- MBR = IR = 단어의 크기
- 버스가 10Bit이면 워드의 크기가 10Bit
ROM
- CS1, CS2 : 칩 선택선
- AD : 주소선
- Data Bus : 워드의 크기
보조기억장치
- 주기억 장치의 단점 보완
- 속도는 느리지만 전원이 차단되도 내용 유지
- 저장용량이 큼
- CPU와 직접 자료교환이 불가능
- 주기억장치에 데이터를 저장할 때 DMA를 사용
자기 테이프
- 순차처리 = SASD
- 블록단위로 데이터를 전송
- 블록 사이에는 데이터를 기록할 수 없는 공간인 갭이 있다.
- BOT : Beginning Of Tape
- EOT : End Of Tape
- BPI : Byte Per Inch, 1인치에 기억할 수 있는 바이트 수
- IRG : Inter Record Gap, 레코드와 레코드 사이의 갭
- IBG : Inter Block Gap, 블록과 블록 사이의 갭
- Block : 한 개 이상의 논리 레코드의 집합 = 물리 레코드
- 블로킹 : 한 개 이상의 논리적 레코드를 묶어서 테이프에 기록하는 방식
- IRG가 줄어든다.
- 기억공간 낭비 감소
- Access Time 감소
- 입출력 횟수 감소
- Blocking Factor : 하나의 블록을 구성하는 논리 레코드의 갯수
자기 디스크
- DASD
- 회전축에 여러장의 디스크를 연결하고, 디스크 상하면마다 R/W Head를 액세스암에 연결하여 구성
- 가장 윗면과 가장 아랫면은 사용하지 않는다.
- 트랙 : 디스크 표면에서 회전푹을 중심으로 데이터가 기록되는 동심원
- 섹터 : 트랙들을 일정한 크기로 구분한 부분이며 정보 기록의 기본 단위
- 실린더 : 서로 다른 면들에 있는 동일 위치의 트랙들의 모임
- Random Access와 Sequential Access 방식을 모두 사용
디스크의 3요소
- 디스크
- 액세스암
- 헤드
Access Time
- Access Time = Seek Time + Latency Time + Transmission Time
- Seek Time : 탐색시간으로 R/W Head가 특정 트랙까지 이동하는데 걸리는 시간
- Latency Time : R/W Head가 특정 트랙까지 이동한 후 디스크가 회전하여 트랙에 포함되어 있는 특정 섹터가 R/W Head까지 도달하는데 걸리는 시간
- Search Time = Rotational Delay Time
- Transmission Time : 전송시간으로 R/W Head가 액세스한 섹터와 주기억장치 간의 자료전송에 걸리는 시간
자기 드럼
- 각 트랙마다 고정된 R/W Head를 두고 있다.
- DASD
- Access Time = Latency Time + Transmission Time
연관기억장치
- 기억장치에서 기억된 내용의 일부를 이용하여 액세스하는 자료를 찾는 기억장치
- CAM = Content Addressable Memory = 연상기억장치
- 정보 검색 빠름
- 캐시 메모리나 가상 메모리 관리기법에서 사용하는 매핑 테이블에 사용
- 외부 인자와 내용을 비교하기 위한 병렬 판독 논리회로를 가지고 있음
- 하드웨어 비용 증가
구조
- 데이터 레지스터 : 인수 레지스터, 찾고자 하는 내용의 일부를 기억하는 레지스터
- 키 레지스터 : 마스크 레지스터, 검색에 사용할 비트를 결정하는 레지스터
- 매치 레지스터 : 일치 지시기, 데이터를 찾은 경우 찾았다고 표시하기 위해 사용
복수모듈기억장치
- 독자적으로 데이터를 저장할 수 있는 기억장치 모듈을 여러 개 가진 기억장치
- 주기억장치와 CPU의 속도 차이 문제점을 개선
- 기억장치의 버스를 시분할하여 사용
- 각각의 기억장치는 자체 어드레스 레지스터와 버퍼 레지스터를 가지고 독자적으로 데이터를 저장
- 인터리빙 기법에 의해 기억장치를 구성하는 모듈 수만큼 단어(워드)들에 동시 접근 가능
- 버스가 많으면 모든 모듈 동시 병렬 접근 가능
메모리 인터리빙
- Memory Interleaving = 디스크 인터리빙
- 여러 개의 독립 모듈로 이루어진 복수 모듈 메모리와 CPU 간의 주소 버스가 한 개로만 구성되어 있으면 같은 시각에 CPU로부터 여러 모듈로 동시에 주소를 전달할 수 없다.
- CPU가 각 모듈로 전송할 주소를 교대로 배치한 후 차례대로 전송하여 여러 모듈을 병행 접근하는 기법
- 중앙처리장치와 기억장치 사이의 실질적인 대역폭 효율을 높일 수 있다.
- 캐시 기억장치, 고속 DMA에서 사용
- CPU 유휴시간 감소
캐시 메모리
- CPU와 주기억장치의 속도차를 줄이기 위해 사용
- 고속 Buffer Memory
- 자주 사용하는 프로그램과 데이터를 기억
- 메모리 계층에서 가장 빠른 소자
- 캐시 주소표는 검색 시간을 단축시키기 위해 연관기억장치(CAM)을 사용
설계 고려사항
- 캐시 크기
- 전송 블록 크기
- 교체 알고리즘
매핑 프로세스
주기억장치로부터 캐시 메모리로 데이터를 전송하는 방법
직접 매핑
- Direct Mapping
- 주기억장치의 블록들이 지정된 한 개의 캐시 라인으로만 매핑되는 방법
- 간단하고 구현 비용이 적다
- 적중률이 낮다
어소시에이티브 매핑
- Assciative Mapping = 연관 매핑
- 직접 매핑의 단점 보완
- 모든 태그를 병렬로 검사하기 때문에 복잡하고 비용이 높음
- 거의 사용안함
세트-어소시에이티브 매핑
- 직접 매핑과 연관 매핑의 장점만 취함
쓰기 정책
저장되어 있는 데이터 수정이 발생할 때 수정된 내용을 주기억장치에 갱신하기 위해 시기와 방법을 결정하는 것
- Wirte-Through : 캐시에 쓰기 동작이 이루어질 때마다 캐시 메모리와 주기억장치의 내용을 동시 갱신
- Write-Back : 캐시에 쓰기 동작이 이루어지는 동안은 캐시의 내용만이 갱신, 캐시의 내용이 캐시로부터 제거될 때 주기억장치에 복사
- Write-Once : 캐시에 쓰기 동작이 이루어질 때 한 번만 기록하고 이후의 기록은 모두 무시
적중률
- 캐시메모리에 접근하는 경우 원하는 정보가 캐시 메모리에 기억되어 있을 때 적중되었다고 함
- 캐시 기억장치가 있는 컴퓨터의 성능을 나타네내는 척도
- 적중률 = 적중횟수 / 총 접근 횟수
- 미스율 = 1 - 적중률
가상기억장치
- 기억 용량이 작은 주기억장치를 큰 용량을 가진 것처럼 사용할 수 있는 기법
- 보조기억장치를 이용한 주기억장치의 용량 확보
- 소프트웨어적 방법으로 구현
- 프로그램을 여러 블록으로 나눠서 보조기억장치에 보관하고 프로그램 실행시 필요 부분만 주기억장치에 적재
- 오버레이 문제가 자동적으로 해결
- 보조기억장치 접근이 빈번하면 시스템 처리 효율이 저하
- DASD에만 가능
주소
- 가상주소 : 논리주소로 보조기억장치 상의 주소
- 실기억주소 : 물리적주소로 주기억장치 상의 주소
관리
- 페이징 기법 : OS가 보조기억장치에 있는 프로그램을 동일한 크기의 블록으로 나눠서 관리
- 세그먼트 기법 : 사용자가 보조기억장치에 있는 프로그램을 가변적인 크기의 블록으로 나눠서 관리
관리전략
반입 전략
- Fetch
- 보조기억장치에 보관중인 프로그램이나 데이터를 언제 주기억장치로 적재할 것인가?
배치 전략
- Placement
- 새로 반입되는 포르개림이나 데이터를 주기억장치 어디에 위치시킬 것인가를 결정
- 최초, 최적, 최악접합이 있음
교체 전략
- Replacement
- 주기억장치의 영역이 이미 사용중인 상태에서 새로운 프로그램을 주기억장치에 배치할 때 어떤 방식을 사용할지 결정하는 전략
- FIFO, OPT, LRU, NUR, LFU, MFU 등
- Page Fault 발생시 교체할 페이지를 결정해서 보조기억장치의 이전 위치에 기억시키고 새 페이지를 교체한 페이지의 위치에 놓는 것을 스테이징이라 한다
- 스테이징 : 느린 장치에서 바른 장치로 옮겨가는 것
주소 매핑
- 가상주소를 실 기억주소로 변환하는 작업
- 가상주소 형식 : 페이지 번호와 변위값
- 실기억주소 형식 : 페이지 프레임과 변위값
- 페이지 맵 테이블 : 디스크 페이지 번호와 페이지 프레임 번호, 상태 비트
변환 순서
- 페이지 번호에 해당하는 페이지 프레임 번호와 가상주소의 변위 주소값을 이용해 실 기억주소를 만듦
- 실기억주소를 이용하여 주기억장치를 액세스
병렬 컴퓨터
- I/O 채널 또는 프로세서와 같은 다수의 프로세서에서 동시에 여러 프로세스를 처리하는 것
- 일부 하드웨어 오류가 발생해도 전체 시스템은 동작
- 처리 속도가 빠름
- 프로그램 작성이 어려움
- 기억장치 공유
- 특수한 업무에 적용 : 예보, 인공지능, 역학계산, 모의실험, 유도탄 등
Flynn의 분류
플린의 분류, 명령 흐름과 자료 흐름을 고려하여 분류
SISD
- Single Instruction stream Single Data stream
- 현재 보통 컴퓨터 구조
- 명령 하나가 자료 하나를 처리
- 파이프라인에 의한 시간적 병렬 처리 가능
SIMD
- Single Instruction stream Multi Data Stream
- 한 개의 명령으로 여러 데이터를 동시에 처리하는 구조
- 배열 처리기에 의한 동기적 병렬처리가 가능
- 다수의 처리기가 한 개의 제어장치에 의해 제어
MISD
- Multi Instruction stream Single Data stream
- 다수의 처리기에 의해 각각의 명령들이 하나의 데이터를 처리하는 구조
- 실제로 사용되지 않음
- 파이프라인에 의한 비동기적 병렬처리 가능
MIMD
- Multi Instruction stream Multi Data stream
- 다수의 처리기가 각각 다른 명령 흐름과 자료 흐름을 가지고 여러 개의 자료를 처리하는 구조
- 각 처리기 사이에에서 상호작용(Interaction)이 일어남
- 멀티 프로세서에 의한 비동기적 병렬처리 가능
- Tightly Coupled System = 다중 처리기
- Loosely Coupled System = 분산 처리 시스템
Feng의 분류
팽은 병렬 수행 정도에 따라 분류
WSBS
- Word-Serial, Bit-Serial
- 한 번에 한 비트씩 처리하는 방식 (초기 컴퓨터)
WPBS
- Word-Parallel, Bit-Serial
- 단어를 묶어서 그 중 한 개의 비트 슬라이스 단위를 순차적으로 처리
WSBP
- Word-Sreial, Bit-Parallel
- 한 번에 한 단어씩 병렬로 처리
- 현재의 컴퓨터
WPBP
- Word-Parallel, Bit-Parellel
- 단어별 병렬, 비트별 병렬 처리
병렬 처리 기법
파이프라인 프로세서
- CPU 처리속도를 높이기 위해 여러개의 인스트럭션을 동시에 병렬처리하는 장치
- 시간적 병렬처리
- 명령인출 => 명령 해독 => 오퍼랜드 인출 => 명령 실행
- 스칼라 프로세서를 이용하는 기법
- 파이프라인이 차고 나면 연산속도가 빠르다.
- 같은 연산이 반복되면 효율적이지만 아니면 구조가 복잡하고 시간이 오래 걸린다.
벡터 프로세서
산술 및 논리연산, 비교, 내적연산, 최대, 최소값 구하기 등 벡터 연산 명령을 효율적으로 수행하도록 구성된 처리기
시스톨릭 프로세서
- 데이터 흐름과 제어 흐름이 규칙적인 특징을 갖는 시스톨릭 알고리즘을 이용하여 수행하는 처리기
- 파이프라인화 된 벡터 프로세서와 배열 프로세서의 특징을 결합한 것
- 초고밀도 직접회로(VLSI) 기법을 이용하여 구현
- 응용의 한계성과 프로그래밍의 어려움이 있음
배열 프로세서
- 배열처리기는 PE(Processing Element)라 불리는 다수의 연산기를 갖는 동기적 병렬 처리기
- 명령 해독 및 제어는 제어장치가 하고, PE들는 명령 해독 능력이 결여된 수동적 장치로 명령처리만 한다.
- PE를 중복 이용해서 공간적 병렬성을 얻는다.
- 벡터 계산이나 행렬 계산에 적합
데이터 플로우 컴퓨터
- 데이터 흐름 컴퓨터는 PC(Program Counter)가 필요 없다.
- 제어 흐름 컴퓨터와는 반대되는 개념
- 인스트럭션의 필요한 피연산자가 모두 준비되었을 때 인스트럭션을 수행하고 결과를 필요로하는 인스트럭션에 보내주는 방식