한빛출판네트워크

그림으로 이해하는

컴퓨터 구조의 기본과 응용

컴퓨터 하드웨어의 기본 구조와 동작 원리 및 설계 방법을 설명합니다. 사실 하드웨어는 소프트웨어에 비해 그 중요성을 잘 인지하지 못합니다. 하지만 좋은 프로그램은 컴퓨터 구조에 대한 이해를 바탕으로 구현되는 경우가 많습니다. 하드웨어가 프로그램을 분석하는 방법, 성능을 높이는 방법 등을 알면 더 좋은 프로그램을 만들 수 있습니다. 이 책을 통해 하드웨어 설계를 위한 기본기뿐만 아니라 좋은 프로그램을 만드는 데 필요한 기초 체력도 다질 수 있습니다. 풍부한 그림에 명쾌한 설명이 더해져 컴퓨터 구조라는 어려운 주제에 좀 더 쉽게 다가갈 수 있을 것입니다.

※ 본 도서는 대학 강의용 교재로 개발되었으므로 연습문제 해답은 제공하지 않습니다.

[부/장별 요약] 

• 컴퓨터 기초(1~3장) : 컴퓨터를 구성하는 요소와 컴퓨터에서 처리되는 데이터를 표현하는 방법을 알아봅니다. 또 컴퓨터 하드웨어의 기본인 디지털 논리 회로를 핵심만 빠르게 정리합니다.
• CPU와 제어 장치(4~5장) : 컴퓨터의 뇌에 해당하는 CPU와 CPU의 주요 구성 요소인 제어 장치를 알아봅니다. CPU의 기본 구조와 명령어 처리 방법, 제어 장치의 기능과 종류를 알아봅니다. 그리고 CPU의 처리 속도를 높이는 최신 기술인 파이프 라이닝 이론도 살펴봅니다.
• 기억 장치(6~7장) : 기억 장치의 계층 구조를 바탕으로 기억 장치 시스템 전반과 보조 기억 장치를 알아봅니다. 기억 장치에서는 캐시 기억 장치, 가상 기억 장치, DDR과 인터리빙 메모리, RAID 구성 등을 알아보고, 보조 기억 장치에서는 광 저장 장치뿐만 아니라 플래시 메모리와 SSD 등의 최신 보조 기억 장치도 소개합니다.
• 입출력 버스와 인터럽트(8~9장) : 컴퓨터 구성 요소 간의 정보 교환 통로인 시스템 버스를 구성하고 중재하는 방법을 알아봅니다. 그리고 인터럽트의 원인과 필요성, 인터럽트 형태와 처리 과정, 우선순위 인터럽트 등을 알아봅니다.
• 병렬 컴퓨터 구조와 성능 분석(10~11장) : 고성능을 위한 핵심 기술인 병렬 처리와 병렬 컴퓨터 시스템, 클러스터 컴퓨팅 기술 등을 알아봅니다. 그리고 컴퓨터 시스템의 성능을 분석하는 방법, 성능 척도의 기준, 성능 평가를 위한 벤치마크 프로그램도 소개합니다.
• 부록 : CPU의 세부 사항을 지정해 가상 시스템을 설계하고 그 시스템에서 프로그램을 실행할 수 있는 CPU Sim 시뮬레이션 도구를 소개합니다.

Chapter 01 서론

01 컴퓨터 시스템의 구성

하드웨어

소프트웨어

프로그램 처리 과정

컴퓨터 시스템의 계층 레벨

02 컴퓨터의 역사

컴퓨터의 발전 과정

컴퓨터의 세대별 분류

무어의 법칙과 황의 법칙

03 컴퓨터의 분류

데이터 형태에 따른 분류

사용 목적에 따른 분류

성능과 규모에 따른 분류

04 폰 노이만, 비 폰 노이만, 하버드 구조

폰 노이만 구조와 비 폰 노이만 구조

폰 노이만 구조와 하버드 구조

연습문제/기출문제

Chapter 02 데이터의 표현

01 진법과 진법 변환

디지털 정보의 단위

진법

진법 변환

02 정수 표현

보수의 개념과 음수

부호 확장

2진 정수 연산

10진 정수 표현

03 실수 표현

04 디지털 코드

BCD 코드

3초과 코드

그레이 코드

다양한 2진 코드

영숫자 코드

05 에러 검출 코드

패리티 비트

해밍 코드

순환 중복 검사 CRC

연습문제/기출문제

Chapter 03 디지털 논리 회로

01 논리 게이트

논리 게이트의 개념과 종류

유니버설 게이트

와이어드 로직

02 불 대수

불 대수 법칙

불 대수식의 표현 형태

논리식의 간소화

03 조합 논리 회로

조합 논리 회로의 개요

조합 논리 회로의 종류

ROM을 사용한 조합 논리 회로의 설계

04 순서 논리 회로

순서 논리 회로의 개요

플립플롭

순서 논리 회로의 설계

카운터의 설계

레지스터

05 집적 회로

연습문제/기출문제

Chapter 04 중앙 처리 장치

01 프로세서 구성과 동작

컴퓨터 기본 구조와 프로세서

프로세서 구성 요소

프로세서 기본 구조

프로세서 명령 실행

02 산술 논리 연산 장치

산술 연산

논리 연산과 시프트 연산

03 레지스터

레지스터 동작

레지스터 종류

레지스터 전송(LOAD, STORE, MOVE 명령 등)

04 컴퓨터 명령어

명령어 형식

명령어 형식 설계 기준

확장 opcode

코어 i7 명령어 형식

명령어 종류

05 주소 지정 방식

즉시 주소 지정

직접 주소 지정

레지스터 주소 지정

레지스터 간접 주소 지정

변위 주소 지정

간접 주소 지정

묵시적 주소 지정

코어 i7의 주소 지정 방식

실제 프로세서에서 주소 지정 방식

06 CISC와 RISC

연습문제/기출문제

Chapter 05 제어 장치

01 제어 장치의 기능

02 제어 장치의 종류

하드와이어 제어 장치

마이크로 프로그램 제어 장치

마이크로 프로그램 제어 장치의 종류

하드와이어 제어와 마이크로 프로그램 제어 비교

03 명령어 사이클

명령어 인출 사이클

명령어 해독 사이클

명령어 실행 사이클

인터럽트 사이클

명령어 사이클

04 프로세서 제어

05 파이프 라이닝

데이터 해저드

제어 해저드

구조적 해저드

슈퍼 스칼라

연습문제/기출문제

Chapter 06 기억 장치

01 기억 장치 시스템의 개요

기억 장치의 종류와 특성

계층적 기억 장치 시스템

02 주기억 장치

주기억 장치의 동작

반도체 기억 장치

기억 장치 모듈의 설계

03 캐시 기억 장치

캐시 용량

사상 방식

교체 알고리즘

쓰기 정책

라인 크기

캐시 수

04 가상 기억 장치

가상 기억 장치의 매핑

페이지 교체 알고리즘

05 연관 기억 장치

06 최신 기억 장치 기술

SDRAM

DDR SDRAM

인터리브드 메모리

플래시 메모리

연습문제/기출문제

Chapter 07 보조 기억 장치

01 자기 디스크

자기 기억 장치의 동작 원리

자기 디스크의 표면 구조

자기 디스크의 데이터 저장 형식

디스크 드라이브의 구조

디스크 액세스 시간

02 자기 테이프와 자기 드럼

자기 테이프

자기 드럼

03 광 기억 장치

CD-ROM

CD-R과 CD-RW

DVD

블루레이 디스크

04 RAID

05 SSD

SSD 내부 구조

SSD의 메모리 구조

플래시 변환 계층과 웨어 레벨링

연습문제/기출문제

Chapter 08 버스와 입출력

01 CPU 칩과 시스템 버스

CPU 칩

시스템 버스

버스 중재

인터럽트 I/O

02 버스의 실제 동작 예

PCI 버스

PCI Express 버스

USB

03 입출력 장치 인터페이스

인터페이스 장치의 필요성

프로그램 입출력

인터럽트 I/O

DMA

입출력 인터페이스 실제 예

버스 설계의 목표

연습문제/기출문제

Chapter 09 인터럽트

01 인터럽트의 개념과 종류

인터럽트의 개념

인터럽트의 종류

인터럽트의 우선순위

02 인터럽트의 동작 원리

인터럽트 동작 과정

프로그램 상태의 보존

인터럽트 요청선 연결 방법

03 인터럽트 처리 방법

소프트웨어를 이용한 방법(폴링)

하드웨어를 이용한 방법(데이지 체인)

다중 인터럽트 요청선을 이용한 방법

인터럽트 제어기를 이용하는 방법

연습문제/기출문제

Chapter 10 병렬 컴퓨터 구조

01 병렬 처리 등장 배경

02 칩 단위 병렬 처리

명령 레벨 병렬 처리

온-칩 멀티스레딩

싱글-칩 다중 프로세서

03 공유 메모리 다중 프로세서

UMA 다중 프로세서

NUMA 다중 프로세서

COMA 다중 프로세서

04 다중 컴퓨터

상호 연결망

MPP

클러스터 컴퓨팅

다중 컴퓨터의 통신 소프트웨어

스케줄링

연습문제/기출문제

Chapter 11 성능 분석과 측정

01 성능 분석

성능 분석 필요성

성능 분석 방법

02 성능 측정

성능 측정 척도

좋은 성능 측정 척도의 특성

프로세서와 시스템의 성능 측정 척도

기타 성능 척도

03 벤치마크 프로그램

벤치마크 프로그램 유형

벤치마크 전략

벤치마크 프로그램 예

연습문제/기출문제

Appendix CPU Sim을 활용한 시뮬레이션

01 CPU Sim 소개와 설치

CPU Sim 소개

CPU Sim 설치

02 CPU Sim 활용

가상 시스템에서 프로그램 실행

새로운 가상 시스템 구축

기존 시스템 수정

참고문헌

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