< 컴퓨터 구조 >

• 컴퓨터 시스템 : 하드웨어 + 소프트웨어 구성

• 소프트웨어 : 운영체제(Linux, MacOS, Windows), 응용 프로그램(운영 체제로 돌아가는 프로그램들)

• 4대 하드웨어 : CPU(중앙처리장치), Memory, Storage(SSD/HDD(하드디스크) 저장매체), Network

  기존에는 어떤 프로그램(동작 부품)을 만들기 위해서는 하드웨어(로직)를 매번 각각 만들어줘야했음 → 비용이 늘어나고, 수정이 번거로움, 다른 작업 수행 시 스위치 설치, 전선 재배치 하여 데이터 전송, 신호처리

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폰노이만 구조(=현 컴퓨터 구조)

• 폰노이만이 제안한 구조, Memory에 프로그램과 데이터가 저장
• → 이 이후는 소프트웨어만 교체하면 ok
• 명령코드를 메모리에 순차적으로 올려놓음 → CPU가 그 코드를 읽어서(controller unit) 코드에 쓰여져 있는 명령 대로 실행 → 메모리에 있는 코드도 프로그램에 따라 바꿔주면 → CPU라는 하드웨어 하나, 메모리 하나에 여러가지 프로그램을 돌릴 수 있다는 제안을 함
• 모든 컴퓨터에 CPU, memory, 저장매체 ; 실행을 시키려면 반드시에 해당 코드를 메모리에 올려두고 CPU가 하나씩 읽을 수 있도록 해야 함
  
• 구조 ; CPU, memory, 프로그램으로 구성

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컴퓨터 주요 구성요소

• CPU(Central Processor Unit) :

1. 연산 ALU (Arithmetic Logic Unit)

   • 산술연산(계산) : Arithmetic Operation , 1+1
   • 논리연산(조건) : Logic Operation, 조건문

2. 제어 Control Device - I/O Device(입출력장치), 메모리, ALU 동작 제어

• Memory(코드와 데이터를 저장하는 장치) :

프로그램, 프로그램 수행에 필요한 데이터를 저장 (전체 데이터 저장)

1. 내부기억장치(주기억장치) :

   • CPU 안에 레지스터(작은 저장공간, 변수 선언 등의 임시저장)
   • 캐쉬(일정 기간 안에 사용했던 기존 데이터를 넣는 곳으로 메모리보다 가까운 곳, 여기서 데이터 가져옴)
   • DRAM등 메모리 (램, RAM, DDR4) (임시적으로 저장하는 ) == 속도가 빠르고, 컴퓨터가 꺼지면 다 날라감

2. 외부기억장치(보조기억장치) :

   • SSD, HDD ; 꺼져도 남아있지만, 주기억 장치보다는 속도가 느림

• I(intput)O(output) Devices(입출력 장치) :

1. 입력 장치 : 마우스, 키보드, 터치패드 →신호를 컴퓨터에 줌
2. 출력 장치 : 모니터, 프린터, 스피커 등 → 컴퓨터가 출력한 내용을 보여줌

• 버스(Bus) :
  세 가지 핵심을 연결해주는 기능
  
  • CPU, Memory, I/O Devices를 연결해 통신이 가능하게 하는 장치, 개별적인 I/O Devices들을 연결해주고 데이터를 송수신해주는 장치

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비트 표현 이해

0과 1로 커뮤니케이션, 숫자 표현 가능, 문자 표현 가능, 연산 가능

비트 : 0 or 1 로 프로그램이 동작

• 논리연산 Gate

and (직렬)/ or(병렬) 논리 연산 (조건문)

↔ nand / nor

→0과1로 비트를 엮어서 문자, 숫자 의미 부여 가능

인풋에 따라 아웃풋이 회로를 따라서 논리적으로 동작 = 논리연산 구성 가능 → 논리 연산 가능한 회로 구성 가능

부울 대수식 : 하드웨어를 구성해서 좀 더 복잡한 구성을 하려면 많은 게이트들이 필요한데, 이걸 더 간단한 형식으로 표현한 것

(이진수의 덧셈)

0 + 0 = 0

0 + 1 = 1

1 + 0 = 1 // 논리 연산이 or 연산과 동일

1 + 1 = 0 → 하지만 다음 자릿수를 1을 더해야 함 (carry 비트) → 10

• 반가산기 (half adder) : 두 bit를 덧셈하는 가산기를 의미 ↔ 전가산기 : 두 bit 외, carry까지 계산할 수 있는 가산기를 의미
• 각각 하나의 bit인 A와 B를 더해서, 합 S와 자리올림(carry) C를 출력하는 조합논리회로
• 전가산기 (full adder) : A bit, B bit, carry bit 값을 입력으로 받아서, sum과 carry 값을 출력해줌

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Oscillator

, Output 값이 0과 1를 반복하는 회로

전원을 받았을 때마다 CPU가 모든 동작을 한 번에 수행함

• 클럭(0과1로 일정하게 왔다갔다 → 1싸이클, 주기)을 만들 수 있음
• 1GHz = 1,000MHz=1,000,000,000Hz
• CPU : 2.5GHz * 1,000,000,000Hz 만큼의 사이클이 생김, 각각 사이클 마다 CPU가 명령 동작 수행
• 오버클럭 : 작동을 좀 더 빠르게, 원래는 2.5GHz 만큼 동작하는 클럭의 주기를 더 높인 것 → 더 빠르게 움직이니까 열이 🔥

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플립플롭(flip-flop)

데이터를 저장하는 조합 논리 회로 —> 이를 통해 메모리를 구성

스위치를 켜고 끄기를 저장 가능 → 이전에 전기를 켜고 끄기라는 사실을 회로가 기억할 수 있게 함

💡 on - 최근에 첫 번째가 켜졌었음

💡 off - 최근에 두 번째가 꺼졌었음

R-S(Rset-Set) flip-flop, NOR Gate

Q = output

${\over Q}$ = Q의 반대값

S와 R이 동시에 1인 건 논리적으로 말이 안 됨

Level-triggered flip-flop

• Hold that bit(=클럭), reset과 set → AND 게이트로

D-type flip-flop, 두 개의 input(RS)을 하나의 input(Data)으로 바꿈, 1이 되면 홀드댓 비트가 클럭이 1이 되는 순간 저장이 됨, 하나의 데이터를 저장할 수 있음(전가산기와 비슷)

Level-triggered(Hold that Bit가 1일 때만=특정한 일정한 클럭, 레벨이 튈 때만)D-type(데이터 저장) flip-flop ,

레벨에 맞춰 플립플롭이 동작할 수 있게끔 논리 회로를 만들 수 있다 → 이러한 논리 회로를 이용해 메모리를 구성함

• 1 bit latch = Level-triggered D-type flip-flop ,(write = 클럭)
• 8 bit latch 8 bit 저장 (= 2의 8승 = 256) → latch 8개를 연결 write가 1일 때 8bit data inputs가 8bit data outputs에 저장, 값이 유지됨
  
• 8-to-selector (부품), 8비트 데이터에서 특정 비트 값만 출력 데이터를 저장하면 어느 위치에 저장했는지, 저장한 데이터 중에 가지고 오고 싶은 데이터가 어느 위치에 있는 데이터인지 선택해줄 필요가 있음 → 데이터의 특정 주소가 필요 8개의 신호를 데이터에 연결 → 특정 데이터만 선택 가능
  
• 3-to-8 decoder 8개의 공간 중 한 공간을 선택하고 선택한 공간에서 데이터를 사용
  
• 온전한 8 bit latch = RAM(Random Access Memory), 8개 중 하나의 비트를 선택해서 쓰거나 읽을 수 있음

RAM array (8x1 Ram을 하나씩 추가→8x2, 16x1 = 램을 여러 개 추가 = m * n RAM array)

1. 8 x 2 RAM array (16개X 두 개의 데이터를 한 번에 쓰고 한 번에 읽음)

   데이터 8개 저장, 읽음 → 각 데이터 2bits

2. 16 x 1 RAM array = 8 x 2 RAM array구조 + select, 1-to2 decoder/ 2-to-1 selector 추가

   데이터 16개 저장, 읽음→ 각 데이터 1bits (데이터 공간 16개 중에 하나)

• 램을 여러개 연결, 여러 개의 select로 decoder/selector를 구성해 많은 데이터를 읽고 저장함

64K RAM

2의 16승(주소) X 8 bits(데이터) → 65,536개의 데이터 저장 및 사용 가능한 메모리

• 메모리 공간들은 주소(이진수로 표현된)가 있다 !

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Accumulator (가산기)

CPU 안 덧셈 기기 → 데이터를 한 번에 넣어서 계산하는 게 아니라 하나씩 넣어서 축적

clear(계산을 위한 추가 스위치) = 1 → Q output = 0 ; f-f 값을 삭제

CPU 안, 데이터 처리를 위한 임시 저장공간 = Register 저장 공간 (1 cycle),

메모리까지 닿기 위해 상대적으로 많은 싸이클 필요

→ 클럭이 계속 튕기지만 중간에 다른 계산 수행이 더뎌짐(데이터가 와야 처리가 가능하니까)

→ 메모리 데이터를 레지스터, 캐쉬에도 저장 (CPU랑 가깝지만 공간은 작음)

→ 단계별로 CPU가 확인

*SSD(10us), HDD(10ms) - 단위가 다른 저장매체에서 데이터를 가져오는 건 시간 오지게 걸림

*어셈블리어(Assembly언어), CPU에 가장 가까운, 유사한 기계어. 완전히 CPU가 동작하는 것처럼 구성

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PC

클럭이 튕길 때마다 1씩 증가하는 기능의 레지스터

Control Panel;

(Takeover 스위치 = 1) 순차적으로 특정 숫자를 써넣음 →

(Takeover 스위치 = 0) = 컨트롤 패널에서는 더이상 램 안에 있는 내부 부품을 제어하지 않음 →

PC의 clear 스위치(= 초기화 스위치)가 0이 되면(=pc값 초기화하고 주소값을 accumulator에 넣어주면 주소값에 숫자가 들어감 →

다음 클럭 튕김 →

pc값 1 증가 →

해당 주소값을 찾아서 다음 숫자가 들어감 →

어큐뮬레이터에서 해당 숫자를 더함

내가 원하는 위치에 순차적으로 더하고 싶은 숫자를 넣으면 회로 변경 없이 원하는 계산(accumulator)을 할 수 있다 !

*회로 변경 없이 원하는 데이터를 메모리에 순차적으로 기재하면 된다. (코드는 위에서부터 밑으로 실행됨)

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Programing

명령을 메모리에 넣고 CPU가 하나씩 그 명령을 수행하게끔만 하면 회로는 그대로 두고 우리는 명령만 다르게 짜서 원하는 기능을 수행하게끔 한다.

• Data , Code

1. 메모리 공간 분리 (pc 주소값) - code 메모리, data 메모리(주소값) → 동일한 주소값에 접근하게 하는 명령 작성 → 해당 명령 cpu가 읽음

Ram 분리 → 명령 의미 값 순차적으로 → 코드 실행 가능

Load, Add, Store → cpu한테 명령 내림 → 기능에 대한 의미 값이 필요 (명령 의미 숫자를 만들고, 주소에 맞는 코드를 넣음)

명령 숫자 : Instruction Code, Operation Code → 또는 ‘opcode’

회로를 추가해 각각의 명령 대로 동작할 수 있게 구성한 CPU = intel CPU, ARM CPU 등 = opcode 제공

이를 기반으로 어셈블리어로 해당 CPU에서 명령 동작을 하게끔 프로그래밍 → 복잡 코드 작성 어려움

💡 그래서 ! 
	내부적으로 컴파일을 통해 opcode로 변환, CPU에게 명령 
    → 우리는 opcode를 몰라도 프로그램을 짤 수 있다.  
    = 현재의 Programing !!

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Instruction Set, 코드(명령어+데이터)

• 고급언어 : 컴파일러 필요, C언어 Java 등
• 저급언어 : 인터프리터, 코드 자체 실행

*CPU 기본 실행 구조 ; 메모리에 주소 또는 인자들 포함 명령들을 주소마다 저장하고, PC를 해당 주소를 가리키게 하여 해당 과정을 거치면서 명령어로 실행함

1. Instruction Fetch, 메모리에서 읽은 명령어를 CPU로 가져옴

   PC가 가리키는 주소를 MAR에 보냄 → 그 주소를 메모리에서 읽고 MBR에 보냄 → 다시 그걸 IR에 저장 → 다음 명령 가리키도록 PC 주소값 증가

2. Instruction Decode, IR에서 인출한 명령어의 해당 데이터 가져오고, 해독(OP 코드 해석)

3. Instruction Execution, 명령어 실행 MAR ACC(가산기)의 데이터를 연산 → ACC에 데이터 저장

4. Write Back, 출력된 실행 결과 메모리 등에 저장

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파이프 라인

하나의 작업에 필요한 일을 세부적으로 나누어서 동시에 다른 세부작업을 실행하는 기법

** 사이클 : 클럭이 한 번 튈 때, 5cycle = 5단계 16cycle = 16단계

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ARM, Intel

• ARM - RISC, 간단 명령어 조합 실행 → 코드가 길어짐 (Phone) -RISC ; 명령어 포맷과 길이 고정, 하나의 사이클로 실행, 시간 예측 가능, 임베디드 ARM스마트폰 IoT 기기
  
• Intel - CISC, 복합 명령어 → CPU 로직 복잡도 증가, 실행 시간 증가 (PC) -CISC ; 명령어 포맷과 길이 고정 x, 하나 이상의 사이클, 전체 명령이 얼마나 걸릴지 시간 예측 어려움, 인텔 CPU