요약: 컴퓨터 구성 원리는 컴퓨터 과학과 기술 전공의 핵심 필수 과목이다. 본 과정은 컴퓨터의 전반적인 지식 프레임워크부터 시작하여 점진적으로 설명합니다. 컴퓨터 구성 원리를 상세히 소개했다. 컴퓨터는 여러 독립 부품으로 구성된 기계이며, 그 기능은 독립 부품의 기능을 통해 설명할 수 있으며, 각 독립 부품은 내부보다 세밀한 구조와 기능을 통해 설명할 수 있습니다. 본 과정은 컴퓨터 구성 원리의 구조에 따라 과정 내용을 네 개의 모듈로 나눕니다. (1) 컴퓨터 소개 (2) 컴퓨터 시스템의 하드웨어 구조; (3) 중앙 처리 장치; (4) 통제 단위; 네 개의 모듈이 한 번에 한 단계씩 진행되어 점차 컴퓨터의 커널 부분으로 들어간다.
컴퓨터 시스템은 "하드웨어" 와 "소프트웨어" 로 구성됩니다. 컴퓨터 소프트웨어는 "시스템 소프트웨어" 와 "응용 소프트웨어" 로 나눌 수 있습니다. 시스템 소프트웨어는 컴퓨터를 관리하는 데 사용됩니다. 응용 프로그램은 다양한 사용자 기능을 구현하는 데 사용됩니다. 컴퓨터 소프트웨어가 이러한 기능을 구현하는 기초는 하드웨어 지원이다. 어느 정도까지는 하드웨어의 기능과 소프트웨어의 기능을 서로 대체할 수 있다. 하드웨어 기능은 빠르지만 구현이 어렵고 회로가 복잡하며 휴대성이 좋습니다. 소프트웨어는 더 유연하지만 하드웨어 실행 속도가 훨씬 느립니다.
첫째, 이 책의 주요 지식 포인트
첫 소개
1, 제 1 장 컴퓨터 시스템 소개
(1) 주요 지식 포인트
이 장에서는 컴퓨터 구성의 개요와 프레임워크를 중점적으로 설명합니다. 여기서 우리는 컴퓨터 내부의 작업 과정이 실제로 이 프레임워크 내에서 I/O 에서 메모리 → CPU 에서 메모리 →I/O 로 명령 흐름과 데이터 스트림을 처리하는 과정이라는 것을 분명히 알 수 있습니다. 프로그램은 명령, 분석 명령, 실행 명령을 통해 실행됩니다. 동시에, 컴퓨터는 변화무쌍한 수준으로 발전했지만, 그것의 가장 근본적인 구성 원리는 폰 노이만의 구조에 기반을 두고 있다는 것을 이해해야 한다.
(2) 내용 파악
이 장에서는 컴퓨터 하드웨어의 기본 구성 요소, 컴퓨터 아키텍처 및 컴퓨터 시스템 계층에 대해 설명합니다. 이 장의 학습을 통해 컴퓨터의 매크로 구조에 대한 일반적인 개념을 가지고 있으며, 컴퓨터는 연산자, 메모리, 컨트롤러, 입력 장치 및 출력 장치의 5 부분으로 구성된 컴퓨터 시스템이며, 이 다섯 부분의 기본 기능을 규정하고 있습니다. 관련 기능은 완전한 컴퓨터 프레임 구조를 형성하기 위해 기본 부품이 필요하지 않습니다.
그림 1 컴퓨터 구조
폰 노이만 컴퓨터의 특징은 이 장의 중점이다. 프로그램 (명령 및 데이터 포함) 이 주 메모리에 미리 저장되면 컴퓨터는 메모리에서 명령을 자동으로 연속적으로 제거하고 실행할 수 있습니다. 이것은 컴퓨터가 자동으로 고속으로 작동하는 기초이다. 컴퓨터의 작업은 실행 프로그램과 컴퓨터 기능에 반영됩니다. 지금 순차적으로 프로세스를 실행하면 명령을 꺼낼 때마다 PC 내용에 L 이 추가되어 다음 명령을 어디서 얻을 수 있는지를 나타냅니다. 프로그램이 특정 위치로 전송되면 전송된 대상 주소가 PC 로 전송되므로 후속 명령을 새 주소에서 읽을 수 있습니다. 따라서 PC 는 프로그램 실행 프로세스, 즉 제어 흐름의 형성을 나타내는 포인터와 같습니다. 프로그램과 데이터 모두 이진 코드를 사용하지만 PC 의 내용에 따라 주소 읽기 지시문을 사용하고 지시문에 제공된 피연산자 주소에 따라 데이터를 읽을 수 있습니다.
제 1 장의 학습을 통해 거시적 관점에서 컴퓨터의 구성 원리와 작동 원리를 소개하였다. 이 책은 컴퓨터의 이런 구조를 중점적으로 소개하고 계산의 구성과 작동 원리를 설명했다.
제 2 장 컴퓨터 개발 및 응용
제 2 장은 독학의 내용으로 컴퓨터 발전의 역사를 설명하고 역사를 통해 컴퓨터의 발전 단계를 전시한다. 1946 년 ENIAC 탄생부터 1950 년대까지 컴퓨터를 구성하는 부품 (전자관에서 트랜지스터까지) 의 발전 변화로 인해 컴퓨터의 성능이 크게 향상되었다. 6 ~ 7 년마다 컴퓨터가 한 번씩 갱신되어 연산 속도가 한 단계 높아진다. 1970 년대, 인텔이 최초의 마이크로프로세서 칩을 생산한 이후 통합도가 높아짐에 따라 18 개월마다.
표 1 컴퓨터 개발 과정
칩에 트랜지스터의 수를 두 배로 늘리는 속도는 컴퓨터를 광범위하게 응용하여 사회 전체가 제조 시대에서 정보화 시대로 접어들면서 지식 폭발이 일어났다.
두 번째 부분은 컴퓨터 시스템의 하드웨어 구조입니다.
3 장 시스템 버스
그림 2 버스 구현 구조 다이어그램
버스는 컴퓨터에서 매우 중요한 부품이며, 컴퓨터에서는 모든 부품이 독립적으로 작동합니다. 그러나 구성 요소 간의 관계는 매우 밀접하게 연결되어 있어 많은 양의 데이터 교환이 필요합니다. 이를 위해 버스 구성 요소가 도입되었습니다. 컴퓨터 시스템의 다섯 가지 구성 요소를 서로 연결하는 두 가지 방법이 있습니다. 한 가지 방법은 구성 요소 간에 개별 연결을 사용하는 것입니다. 이를 분산 링크라고 합니다. 다른 하나는 모든 구성 요소를 버스 연결이라고 하는 공통 정보 전송선 세트에 연결하는 것입니다. 이 장에서는 버스 연결에 대해 중점적으로 설명합니다.
버스는 여러 부품을 연결하는 정보 전송선이며 모든 부품이 공유하는 전송 매체입니다.
버스는 전송 방식에 따라 병렬 전송 버스와 직렬 전송 버스로 나눌 수 있습니다. 연결 부품에 따라 버스는 슬라이스 버스, 시스템 버스 및 통신 버스로 나눌 수 있습니다.
이 버스의 특성과 성능 지표를 연구했다. 버스에 따라 버스의 특성, 성능 기준 및 업계 표준을 각각 연구했습니다.
버스의 용도에 따라 단일 버스 구조와 다중 버스 구조가 있습니다.
버스는 여러 구성 요소에서 동시에 사용되기 때문에 버스에는 중재 논리가 있습니다.
4, 제 4 장 기억
메모리는 프로그램과 데이터를 저장하는 컴퓨터 시스템의 저장 장치입니다. 컴퓨터가 발전함에 따라 시스템에서 메모리의 지위가 점점 더 중요해지고 있다.
그림 3 메모리 분류
메모리는 컴퓨터에서 입력 장치 입력 프로그램 및 데이터, 스토리지 쓰기 작업 등의 기능을 수행할 수 있습니다. CPU 읽기 명령, 메모리 읽기 작업 CPU 는 명령을 실행할 때 작업 수, 메모리 읽기 작업을 읽어야 합니다. CPU 는 처리 결과를 메모리에 저장하고 스토리지를 기록합니다. 출력 장치 출력 결과, 메모리 읽기 작업;
스토리지의 경우 다음 개념을 이해해야 합니다.
저장 장치: 1 비트 바이너리 코드를 저장하는 데 사용되는 스토리지의 최소 단위입니다.
메모리 단위: CPU 가 메모리에 액세스하는 기본 단위로, 동일한 작동 특성을 가진 여러 메모리 단위로 구성됩니다.
유닛 주소: CPU 가 해당 스토리지 유닛을 액세스하는 메모리의 스토리지 유닛을 식별하는 고유 번호입니다.
단어 저장 단위: 한 단어를 저장하는 저장 단위입니다. 해당 셀 주소를 단어 주소라고 합니다.
바이트 저장 장치: 1 바이트를 저장하는 저장 단위입니다. 해당 셀 주소를 바이트 주소라고 합니다.
단어 주소 지정 컴퓨터: 가장 작은 주소 지정 가능 장치가 단어 저장 장치인 컴퓨터입니다.
바이트 주소 지정 가능 컴퓨터: 최소 주소 지정 가능 단위가 바이트인 컴퓨터입니다.
저장 영역: 이진 정보를 저장하는 저장 영역 단위 모음입니다.
이 장에서는 이전에 배운 회로 지식과 이 장에서 배운 반도체 메모리 칩을 사용하여 메모리와 CPU 간의 연결 회로를 설계합니다. 칩의 합리적인 선택과 CPU 와 메모리 막대 사이의 주소선, 데이터 케이블, 제어선의 연결을 주의해라.
제 5 장 입출력 시스템
I/O 시스템은 컴퓨터에서 매우 중요한 논리적 구성 요소입니다. 컴퓨터 시스템이 발달하면서 애플리케이션 범위가 확대되고 I/O 디바이스의 수와 종류가 증가하면서 호스트와의 연락처 및 정보 교환 방식도 달라졌습니다. 입출력 장치의 작동 속도가 컴퓨터 호스트의 작동 속도와 일치하지 않기 때문에 입출력 장치의 정확성과 신뢰성을 고려하여 호스트의 생산성을 최대한 활용해야 합니다. 이 장에서는 I/O 장치와 호스트가 정보를 교환하는 세 가지 제어 방법 (프로그램 쿼리, 인터럽트 및 DMA) 과 해당 인터페이스 기능 및 구성 요소를 중점적으로 분석하고 몇 가지 일반적인 I/O 장치의 메모리 방법을 간략하게 설명합니다.
(1) 프로그램 인터럽트 모드
중단: 정상적인 프로그램 실행 중 일부 예외 이벤트나 요청이 발생하면 프로세서는 현재 프로그램 실행을 일시 중지하고 더 긴급한 프로그램을 실행하며 실행이 완료되면 원래 프로그램 실행을 자동으로 재개합니다.
특징: 하드웨어 구조는 쿼리 방식보다 복잡하고, 서비스 오버헤드가 길어지며, 마스터 프로그램과 장치가 동시에 실행되며, CPU 효율성이 높고, 실시간 응답 기능이 있습니다.
(2) 가공 중단.
인터럽트 처리 프로세스는 다음과 같습니다. 인터럽트 요청 → 인터럽트 소스 식별 및 중재 → 인터럽트 응답 → 인터럽트 처리 → 인터럽트 반환.
일시 중단 소스: 일시 중단 이벤트의 소스입니다.
중재: 우선 순위가 가장 높은 인터럽트 소스를 찾아 응답합니다.
인터럽트 소스 인식: 사용 된 방법은 다음과 같습니다. 소프트웨어 쿼리 방법; 하드웨어 대기열 방법 벡터 인터럽트.
CPU 응답 인터럽트 조건: 하나 이상의 인터럽트 소스 요청이 중단되었습니다. CPU 는 인터럽트를 허용합니다. 현재 명령이 실행되었습니다.
응답 중단 작업-하드웨어에 의해 자동으로 수행: 인터럽트 끄기 중단점 정보 유지 인터럽트 처리기 포털로 이동합니다. 인터럽트 처리-소프트웨어에 의해 수행됩니다 (인터럽트 처리기).
(3)DMA 전송 모드
특징: CPU*** 주 메모리를 즐기는 것과 모순되는 문제를 해결했습니다. CPU 가 메모리 CPU 에 액세스하는 것을 차단하는 것은 비효율적입니다. 주기적으로 점유하여 주변 장치 읽기 주기가 메모리 액세스 주기보다 긴 경우에 적합합니다. DMA 와 CPU 가 번갈아 액세스됩니다. CPU 작업 주기가 메모리 액세스 주기보다 훨씬 큰 경우에 적합합니다.
세 번째 중앙 처리 장치
제 6 장 컴퓨터 계산 방법
컴퓨터는 널리 사용되지만, 어디에 쓰든 기계 내부의 정보 형식은 일관성이 있다. 즉, 0 과 1 으로 구성된 각종 코드이다. 이 장에서는 주로 연산과 관련된 다양한 데이터 및 컴퓨터에서의 산술 연산 방법에 대해 설명합니다. 컴퓨터에는 부호수, 부호없는 수, 정점 수, 부동 소수점 수의 다양한 표현이 있으며, 이동, 점 보완 더하기, 점 소스 코드의 한 곱셈, 두 곱셈과 보코드의 Booth 알고리즘, 점 소스 코드와 보코드의 덧셈을 번갈아 나눗셈, 부동 보완, 덧셈, 덧셈, 덧셈, 뺄셈도 있습니다.
이 장의 지식은 비교적 어렵다. 먼저, 우리는 데이터의 표시 방법, 부호 없는 수, 부호가 있는 수를 연구했다. 숫자의 표현에는 정점 표현과 부동 소수점 표현이 있습니다. 이 장의 어려움은 컴퓨터의 데이터 연산, 고정 소수점 연산 및 부동 소수점 연산에 있습니다. 이 장에서는 산술 및 논리 단위, 컴퓨터의 컴퓨팅 구성 요소도 살펴보았습니다.
그림 4 ALU 회로
제 7 장 교육 시스템
이 장에서는 주로 명령 시스템 분류, 일반적인 주소 지정 방법, 명령 형식 및 명령 시스템 설계 시 고려해야 할 문제에 대해 설명합니다. 기계의 명령 시스템이 한 대의 컴퓨터의 기능을 결정한다는 것을 알고 있고, 컴퓨터의 명령 시스템이 확인되면, 컴퓨터의 하드웨어는 반드시 지원해야 한다. 명령 시스템은 주로 운영 유형, 데이터 유형, 주소 형식 및 주소 지정 방법에 반영됩니다. 서로 다른 주소 지정 방식이 피연산자 주소 지정 범위 및 프로그래밍에 미치는 영향을 파악하고, 서로 다른 주소 지정 방법에 필요한 하드웨어 및 정보 처리 프로세스를 파악해야 합니다.
컴퓨터로 문제를 해결할 때, 일반적으로 프로그램을 컴파일하여 고급 언어나 기계 언어로 쓸 수 있다. 그러나 컴퓨터는 기계 언어로 작성된 프로그램만 인식하고 실행할 수 있습니다. 다양한 고급 언어로 작성된 응용 프로그램은 결국 기계 언어로 번역되어 실행됩니다. 기계 언어는 일련의 명령 (문) 으로 구성됩니다. 명령어의 형식은 기계 언어의 문법이다. 각 명령은 기계가 특정 기능을 수행하도록 지정합니다. 컴퓨터의 모든 명령 세트를 컴퓨터의 명령 시스템 또는 명령 세트라고 합니다. 프로그래머가 프로그램을 작성하는 기초이자 컴퓨터 논리 설계의 기초이다.
이 장에서는 기계 명령의 형식 요구 사항, 피연산자 및 작업 유형에 대해 설명합니다. 이 장의 학습을 통해 명령어의 주소 지정 방식을 알게 되었고, RISC 기술의 생성과 발전에 대해 초보적으로 알게 되었다.
이 장의 어려움은 명령과 피연산자의 주소 지정 방식에 있다. 명령 주소를 형성하는 방법을 명령 주소 지정이라고 합니다. 명령 카운터에서 추적하는 두 가지 순차 주소 지정 및 생략 주소 지정이 있습니다. 피연산자 주소를 형성하는 방법을 데이터 주소 지정이라고 합니다. 피연산자는 특수 레지스터, 범용 레지스터, 메모리 및 명령에 배치할 수 있습니다. 데이터 주소 지정 방법에는 암시적 주소 지정, 즉시 주소 지정, 직접 주소 지정, 간접 주소 지정, 레지스터 주소 지정, 레지스터 간접 주소 지정, 상대 주소 지정, 기본 주소 지정, 인덱스 주소 지정, 블록 주소 지정, 세그먼트 주소 지정 등이 있습니다.
제 8 장 중앙 프로세서의 구조와 기능
이 장에서는 연산자, 캐시 및 컨트롤러로 구성된 CPU 의 기능과 기본 구성 요소를 학습합니다. CPU 에는 명령 제어, 운영 제어, 시간 제어 및 데이터 처리의 네 가지 기본 기능이 있어야 합니다. 데이터 경로는 많은 레지스터 간에 정보를 전송하는 경로입니다.
그림 5 중앙 처리 장치의 내부 구조
명령 루프와 명령 파이프라인은 이 장의 또 다른 핵심 내용입니다. CPU 가 메모리에서 명령을 꺼내 실행하는 총 시간을 명령 주기라고 합니다. 명령마다 작동 기능이 다르기 때문에 명령마다 명령 주기가 다르다. 분할 명령 주기는 컴퓨팅 컨트롤러 설계의 중요한 토대입니다.
네 번째 제어 장치
9 장 제어 장치 설계
명령 주기의 4 단계에 따라 제어 단위는 프로그램 실행 목적을 달성하기 위해 컴퓨터의 각 부분을 제어합니다. 컴퓨터의 기능은 프로그램을 실행하는 것이다. 프로그램을 실행하는 동안 제어 장치는 다양한 미세 조작 명령을 실행해야 하며, 명령마다 다른 명령에 해당합니다. 다른 명령을 완료하는 과정에서 명령 가져오기, 피연산자 주소 가져오기 및 인터럽트 주기와 같은 일부 작업은 동일하거나 유사합니다.
10, 제 10 장 제어 장치 설계
이 장에서는 제어 장치의 두 가지 설계 방법을 소개하고, 제어 장치의 두 가지 설계 방법을 초보적으로 이해해야 하며, 조합 논리 컨트롤러와 마이크로프로그램 컨트롤러의 설계 아이디어, 하드웨어 구성 및 작동 원리에 대한 차이점을 더 잘 이해할 수 있어야 합니다. 타이밍 시스템의 개념과 결합하여 서로 다른 명령 요구 사항에 따라 적절한 마이크로조작 명령과 박자 배치를 작성하는 방법을 배웁니다.
운영 컨트롤러 설계 방법
하드 연결 컨트롤러: 조합 논리 기술로 구현된 조합 논리
마이크로프로그램 컨트롤러 스토리지 논리 유형, 마이크로프로그램을 통한 기계 명령 실행, 스토리지 논리 기술로 구현
도어 어레이 컨트롤러는 조합 논리와 스토리지 논리의 조합이며 프로그래밍 가능한 논리 장치에 의해 구현됩니다.
마이크로지시문은 제어선을 통해 실행부에 실행된 다양한 제어 명령이며 제어 신호 시퀀스의 최소 단위입니다. 마이크로작업은 부품이 마이크로명령을 받은 후 수행되는 작업으로, 컴퓨터 하드웨어 구조에서 가장 기본적인 작업입니다. 마이크로 사이클은 제어 메모리에서 마이크로 명령어를 읽고 해당 단일 단계 작업을 수행하는 데 걸리는 시간입니다. 마이크로명령은 각 미세순환 작업에 필요한 제어 명령으로 구성된 마이크로명령입니다. 마이크로명령에는 많은 마이크로명령어 정보가 포함되어 있다. 마이크로프로그램은 기계 명령을 제어하고 구현할 수 있는 일련의 마이크로명령어의 질서 있는 집합이다.
둘째, 학습 경험
"컴퓨터 구성 원리" 는 이번 학기의 중점 과목이다. 이번 학기의 학습을 통해 수업이 배우기 어렵고, 지식점이 많고, 지식점 간의 연관성이 적다는 것을 알게 되었다. 따라서 이 과정을 배우는 것은 매우 어렵다. 한 학기의 학습을 통해 나는 점차 컴퓨터 시스템의 계층 구조를 이해하게 되었다. 이 과정에서는 주로 컴퓨터의 구성 구조 (예: 컴퓨터가 어떤 부분으로 구성되어 있는지, 이들 사이에 어떤 관계가 있는지, 이러한 관계가 어떻게 연결되어 있는지, 이러한 부분 내부가 어떻게 작동하는지) 를 연구합니다. 기계의 속성은 명령 시스템에 반영되지만 명령 구현, 즉 명령, 분석 명령, 피연산자, 연산, 결과 전송 방법 등을 구현합니다. , 모두 컴퓨터 구성 원리를 사용하여 연구되었습니다.
이 과정은 거시적인 관점에서 컴퓨터가 어떻게 작동하는지 보여주며, 동시에 컴퓨터의 각 구성 요소를 각각 시연했다.
우리는 처음부터 프로그래밍 과정 (C 언어와 C++ 프로그래밍 언어) 을 배웠다. 이 두 과목의 학습을 통해 우리는 소프트웨어의 작동 방식에 대해 초보적인 이해를 가졌지만, 컴퓨터 차원의 우열에 대해서는 낯설었다. 우리가 이전에 배운 프로그래밍 과정은 모두 고급 프로그래밍 언어를 기반으로 자연어에 더 가깝지만 컴퓨터는 0 과 1 으로 구성된 이진 코드만 처리할 수 있습니다. 고급 프로그램에서 설명하는 언어가 컴퓨터 하드웨어를 통해 컴퓨터가 인식할 수 있는 이진 대체물로 변환되는 방법을 설명합니다. 이진 코드로 구성된 명령이 기계에서 어떻게 작동하는지 알 수 있습니다. 이 과정에서는 "디지털 논리" 를 기반으로 컴퓨터를 설명합니다.
본 과정을 학습하기 위해 파악해야 할 핵심 키워드는' 데이터 경로' 입니다. 컴퓨터는 항상 디지털 신호를 처리하며, 컴퓨터의 모든 기능은 숫자가 나타내는 정보로 구현됩니다. 컴퓨터에서 데이터가 외부에서 계산으로 들어가는 방식은 입출력 시스템 (I/O) 을 도입합니다. I/O 시스템은 외부 물리적 또는 아날로그 신호를 컴퓨터가 인식할 수 있는 디지털 신호로 변환하고, 버스 시스템을 통해 컴퓨터를 입력하고, 일부 주변 장치에서 컴퓨터로 처리된 디지털 신호를 해당 아날로그 신호 출력으로 변환합니다. 컴퓨터는 대량의 데이터를 처리해야 하므로 컴퓨터에 적절한 저장 장치를 설치하여 신호를 저장해야 한다. 컴퓨터의 저장 장치는 주 메모리와 외촌으로 나뉘어 버스를 통해 서로 데이터를 교환할 수 있다. CPU 는 계산기와 컨트롤러로 구성된 컴퓨터 집계의 핵심 부품입니다. 폰 노이만 구조에 따르면 컴퓨터는 명령을 받고 명령을 실행하는 과정을 자동화할 수 있다. 컨트롤러는 컴퓨터 부품 실행 프로그램의 명령 시퀀스를 조정하고 제어하며, 기본 기능은 명령, 분석 명령 및 실행 명령입니다. 컴퓨터에 다섯 개의 부품이 있기 때문에, 이 부품들의 조화를 통해 컴퓨터는 다양한 기능을 완성할 수 있다.