Last update 24.10.20

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• 파란색 배경으로 강조된 부분은 예시문제에 나온 내용입니다.

1. 작동방식

컴퓨팅시스템 개요

• 컴퓨터의 역할 I = P(D)
  • Data를 어떻게 저장할 지 = 데이터베이스
  • Process를 어떻게 할 지 = 알고리즘
  • 알고리즘을 어떻게 구현할 지 = 통합프로그래밍
  • 어떤 시스템을 사용할 지 = 통합컴퓨팅시스템
• 컴퓨팅시스템은 정보처리를 위한 시스템
  • 하드웨어(← 논리회로, 컴퓨터구조 과목)와 소프트웨어(← 운영체제 과목)의 상호작용
  • 하드웨어
    • 중앙처리장치: 제어장치, 산술논리연산장치, 레지스터
    • 기억장치: 주기억장치(RAM/ROM), 보조기억장치, 캐시(메모리 계층구조)
    • 입출력장치
    • 시스템 버스: 제어 버스,주소 버스,데이터 버스
  • 소프트웨어: 시스템 소프트웨어, 응용 소프트웨어
    • 시스템 소프트웨어의 구분
      • 제어 프로그램: 감시 프로그램, 작업제어 프로그램, 데이터 관리 프로그램
      • 처리 프로그램: 언어 번역기, 서비스 프로그램, 문제해결 프로그램
    • 언어 번역 프로그램 Note. Compiler Driver: 컴파일 과정을 하나로 묶어둔 패키지 Note. Compiler vs Interpreter: 목적 프로그램의 생성 여부
      • 컴파일러: 원시코드 → 어셈블리어 → 목적 프로그램
      • 어셈블러: 어셈블리어 → 목적 프로그램
      • 링커: 정적 링킹 / 동적 링킹
      • 로더: 할당(메모리 등 자원 할당), 연결(동적 링킹된 라이브러리 연결), 재배치(실주소 변경), 적재(페이지 적재)
  • 하드웨어와 소프트웨어는 상호의존적이며 보완적 ex. 가상메모리 시스템: MMU(하드웨어) + TLB 관리(소프트웨어)
• 컴퓨터의 역사
  • 회로 소자의 발달로 컴퓨터의 역사 구분
  • 1세대: 진공관
    • 기계적 데이터 표현 → 전기적 데이터 표현
    • 기계어, 어셈블리어 - 프로그램 내장형 컴퓨터
  • 2세대: 트랜지스터
    • 고급 프로그래밍 언어 - 시스템 라이브러리, 컴파일러
    • 일괄 처리 시스템
  • 3세대: 집적회로(IC)
    • 소형화, 기억용량 증대
    • 멀티 프로세스
  • 4세대: 고밀도 집적회로(LSI/VLSI)
    • 반도체 비용 감소 → 개인용 컴퓨터 보급 → 네트워크 발달
    • 시분할 시스템, GUI, 분산시스템

논리회로

부울 대수

• 하드웨어는 전기적 신호를 처리하는 논리회로
  • 신호의 전압에 따라 상태를 구분: 기준 전압 → 0(Low)과 1(High) 구분
  • 노이즈 등의 영향을 줄이기 위해 두 가지 상태만 사용
• 부울 대수는 논리학을 기반으로 0과 1만을 사용하는 대수 규칙
  • 0(거짓), 1(참)의 상태와 합 , 곱, 보수, 배타적 논리합 등의 연산을 사용하는 대수 체계
  • 논리연산 → 불 대수
  • 논리회로를 불 대수로 표현 가능 = 회로 검증, 간소화
• 부울 대수의 연산규칙

  • 기본 연산

    X	Y	$x + y$	$x \cdot y$	$x \oplus y$	$\overline{x}$
    0	0	0	0	0	1
    0	1	1	0	1	1
    1	0	1	0	1	0
    1	1	1	1	0	0

  • 부울 대수의 연산규칙

    • 교환법칙: $x + y = y + x$, $x \cdot y = y \cdot x$
    • 결합법칙: $(x + y) + z = x + (y + z)$, $(x \cdot y) \cdot z = x \cdot (y \cdot z)$
    • 분배법칙: $x(y + z) = xy + xz$, $(x + y)(x + z) = x + yz$
    • 지배법칙: $A + 0 = A$, $A \cdot 0 = 0$
    • 항등법칙: $A \cdot 1 = A$, $A + 1 = A$
    • 멱등법칙: $A + A = A$, $A \cdot A = A$
    • 보수법칙: $A + \overline{A} = 1$, $A \cdot \overline{A} = 0$
    • 이중 보수법칙: $\overline{\overline{A}} = A$
    • 흡수법칙: $x + xy = x$, $x(x + y) = x$
    • 드모르간의 법칙: $\overline{xy} = \overline{x} + \overline{y}$, $\overline{x + y} = \overline{x} \cdot \overline{y}$
    • 합의의 정리
      • 한 번은 일반항으로, 한 번은 보수로 나타난 변수가 포함된 식 = 적항
      • 적항에 연산된 나머지 항 = 잉여항
      • $xy + yz + \overline{x}z = xy + \overline{x}z$
      • $(x + y)(y + z)(\overline{x} + z) = (x + y)(\overline{x} + z)$
    • 쌍대성의 원리
• 부울 함수의 표현
  • 최소항 = 참 = SOP(Sum of Product)
  • 최대항 = 부정 = POS(Product of Sum)
  • ex. $F = \{1, 3\}$ $= \overline{x}y + xy$ (SOP형: 출력이 1이 되도록 하는 최소항의 합 = 1 + 3) $= (x + y)(\overline{x}+ y)$ (POS형: 출력이 0이 되도록 하는 최대항의 곱 = 0 * 2)
• 부울 함수의 간소화
  • 카르노 맵
    • 진리표의 특수한 형태 - 변수가 1비트만 다르도록 나열: 00, 01, 11, 10
    • 인접한 항을 2의 거듭제곱만큼 묶으면 간소화 가능 (SOP형에서는 1인 칸을, POS형에서는 0인 칸을 묶는다)
  • 연산규칙 활용
• 논리게이트
  • 트랜지스터, 저항 등을 조합하여 논리연산 구현
    • 게이트를 조합해서 논리회로 구성
    • 기억능력이 있으면 (= 피드백 회로가 있으면) 순차논리회로, 없으면 조합논리회로
  • AND 게이트, NAND 게이트
  • OR 게이트, NOR 게이트
  • XOR 게이트, XNOR 게이트
  • NOT 게이트

조합논리회로

• 입력 변화에 따라 출력이 변화하는 회로
  • 저장을 위한 기억소자 없이 논리게이트로만 구성
  • 입력 변화가 전파되는 시간이 필요하므로, 지연이 발생
• 인코더, 멀티플렉서
  • 인코더(ex. 8x3): $2^n$개의 입력에 대해 n비트 출력이 나오는 회로 (부호화)
  • 멀티플렉서(ex. 8x1): $2^n$개 입력을 n비트 선택선을 이용해 선택해서 하나의 입력이 나오는 회로
• 디코더, 디멀티플렉서
  • 디코더(ex. 3x8): n비트 입력에 대해 $2^n$개의 출력이 나오는 회로 (복호화)
  • 디멀티플렉서(ex. 1x8): 1비트 입력, n비트 선택선에 대해 $2^n$개 중 하나의 선로로만 입력이 나오는 회로
• 가산기/감산기
  • 반가산기(XOR + AND)/전가산기(전가산기 2개 + OR)
  • 반감산기(반가산기 + NOT)/전감산기
  • 부호 비트를 활용한 가감산기
  • 가산기의 병렬처리

순차논리회로