현재 컴퓨터는 개인적 용도로 사용되는 모바일용 PC로부터 시작하여 초고속 과학계산을 위한 슈퍼컴퓨터에 이르기까지, 크기와 가격 및 성능에 있어서 매우 다양한 종류의 컴퓨터들이 존재하고 있다. 그런데 흥미로운 점은 그러한 컴퓨터들의 기본 구조와 동작 원리는 거의 동일하다는 것이다. 본 저서에서는 컴퓨터 하드웨어의 기본 원리와 핵심 기술들을 이해하기 쉽도록 간결하게 설명하였으며, 컴퓨터의 성능을 높이기 위하여 최근에 새로이 개발된 멀티-코어 프로세서, GPU, DDR SDRAM 및 SSD를 포함한 각종 보조저장장치를 비롯한 첨단 컴퓨터 기술들에 대하여 전반적으로 소개하고 있다. 따라서 이 책의 내용을 충실히 공부한다면 현존하는 거의 모든 컴퓨터들의 설계 개념에 대하여 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 또한 이 분야에서 반드시 알아야 할 중요한 내용들만 발췌하여 설명하였다. 이 책의 수준은 대학 및 전문대학의 컴퓨터 관련학과들과 전자공학과에서 컴퓨터구조론 강의교재로 사용하기에 적당하며, 컴퓨터시스템을 개발하는 연구소나 기업체의 연구원들에게도 직접적으로 도움이 되는 참고 서적이 될 것이다.
1장 컴퓨터시스템 개요에서는 컴퓨터의 기본 구조와 동작 원리에 대하여 설명하고, 모바일용 소형 컴퓨터부터 슈퍼컴퓨터에 이르기까지 각종 컴퓨터 분류들에 대한 최근 발전 동향에 대하여 살펴본 다음에, CPU와 기억장치 및 I/O 장치들을 포함한 전체 컴퓨터시스템의 구성 방법에 대하여 개괄적으로 설명한다.
2장 CPU의 구조와 기능에서는 CPU의 내부 구조와 명령어 실행 원리 및 파이프라이닝 기술에 대하여 자세히 설명한다. 그리고 CPU의 프로그램 처리 속도를 높이기 위한 새로운 구조인 슈퍼스칼라 및 멀티-코어 프로세서의 설계 개념과 그에 따른 속도 향상에 대하여 세부적으로 분석하며, 마지막으로 명령어 세트의 구성 요소와 설계 방법에 대하여 설명한다. 여기에는 RISC 프로세서의 명령어 특성에 대한 분석도 포함된다.
3장 컴퓨터 산술과 논리 연산에서는 컴퓨터 산술 및 논리연산장치인 ALU의 내부 구성을 살펴본다. 그리고 논리 연산의 원리를 공부한 다음에, 정수 및 부동소수점 수의 표현 방법과 산술 연산에 대하여 설명한다.
4장 제어 유니트에서는 CPU의 주요 구성요소인 제어 유니트의 내부 구조와 동작 원리를 분석하고, 마이크로프로그래밍 기법을 이용한 명령어 세트의 설계 방법에 대하여 설명한다.
5장 기억장치에서는 다양한 종류의 기억장치들을 분석함으로써 계층적 기억장치시스템의 개념을 이해하도록 한다. 그런 다음에 반도체 기억장치의 내부 조직을 살펴보고, 그들을 이용하여 기억장치 모듈을 설계하는 방법에 대하여 설명한다. 또한 기억장치 대역폭 향상을 위한 기술인 DDR SDRAM과 기억장치 랭크의 원리와 구성 방법에 대해서도 분석한다. 그리고 주기억장치의 속도를 보완하기 위한 캐시 메모리의 구조와 설계 원리에 대하여 공부한 다음에, 차세대 반도체 기억장치 유형인 PRAM, FRAM 및 MRAM의 원리에 대해서도 간략히 살펴본다.
6장 보조저장장치에서는 가장 대표적인 보조저장장치인 하드 디스크의 구조와 동작 원리를 살펴보고, 용량과 신뢰도를 높이기 위한 디스크 배열인 RAID의 설계 개념과 구조를 분석한다. 그리고 최근 보조저장장치로 사용이 확대되고 있는 플래시 메모리와 SSD(Solid-State Drive)의 내부 구조 및 동작 원리에 대하여 자세히 설명한다. 특히 최근 반도체 분야의 핵심 기술로 부각되고 있는 3D V-NAND 플래시의 구조에 대해서도 분석하며, SSD의 성능 개선을 위한 제반 기술들도 살펴본다.
7장 시스템 버스, I/O 및 인터럽트에서는 컴퓨터 구성요소들 간의 정보 교환을 위한 통로인 시스템 버스의 구성과 중재 방법에 대하여 분석하며, I/O 장치의 접속 방법과 인터럽트 메커니즘 및 DMA의 동작 원리에 대하여 설명한다.
8장 고성능 컴퓨터시스템 구조에서는 컴퓨터시스템의 성능 향상을 위한 핵심 기술인 병렬처리의 개념에 대하여 설명하고, 병렬컴퓨터시스템에 사용되는 각종 시스템 구조 및 상호연결망들을 소개한다. 그리고 서버급 다중프로세서시스템 구현에서 캐시 일관성 유지를 위하여 사용되는 MESI 프로토콜에 대하여 분석한다. 또한 최근 슈퍼컴퓨터를 비롯한 거의 모든 컴퓨터시스템에서 수치적 계산속도의 향상을 위해 널리 사용되고 있는 GPU(Graphic Processign Unit) 및 CUDA 프로그래밍 모델에 대해서도 설명한다.
[부록 A] 광 저장장치에서는 다목적 보조저장장치로 유용하게 사용되는 CD-ROM, DVD 및 블루-레이 디스크(BD)와 같은 광 저장장치들의 원리와 성능 및 특성에 대하여 설명한다.
[부록 B] 컴퓨터 클러스터링에서는 최근 서버급 시스템 및 슈퍼컴퓨터의 구성을 위하여 가장 널리 사용되고 있는 시스템통합 기술...인 컴퓨터 클러스터링(computer clustering)의 원리에 대하여 소개한다.
CHAPTER 01 컴퓨터시스템 개요
1.1 컴퓨터의 기본 구조
1.2 정보의 표현과 저장
1.3 시스템의 구성
1.3.1 CPU와 기억장치의 접속
1.3.2 CPU와 I/O 장치의 접속
1.3.3 전체 시스템의 구성
1.4 컴퓨터 구조의 발전 과정
1.4.1 초기 컴퓨터들의 구조
1.4.2 주요 컴퓨터 부품들의 발전 경위
1.4.3 컴퓨터시스템의 분류와 발전 동향
기본문제
연습문제
CHAPTER 02 CPU의 구조와 기능
2.1 CPU의 기본 구조
2.2 명령어 실행
2.2.1 인출 사이클
2.2.2 실행 사이클
2.2.3 인터럽트 사이클
2.2.4 간접 사이클
2.3 명령어 파이프라이닝
2.3.1 2-단계 명령어 파이프라인
2.3.2 4-단계 명령어 파이프라인
2.3.3 슈퍼스칼라
2.3.4 듀얼-코어 및 멀티-코어
2.4 명령어 세트
2.4.1 연산의 종류
2.4.2 명령어 형식
2.4.3 주소지정 방식
2.4.4 실제 상용 프로세서들의 명령어 형식
기본문제
연습문제
CHAPTER 03 컴퓨터 산술과 논리 연산
3.1 ALU의 구성 요소
3.2 정수의 표현
3.2.1 부호화-크기 표현
3.2.2 보수 표현
3.2.3 부호-비트 확장
3.3 논리 연산
3.4 시프트 연산
...
3.5 정수의 산술 연산
3.5.1 덧셈
3.5.2 뺄셈
3.5.3 곱셈
3.5.4 나눗셈
3.6 부동소수점 수의 표현
3.7 부동소수점 산술 연산
3.7.1 덧셈과 뺄셈
3.7.2 곱셈과 나눗셈
기본문제
연습문제
CHAPTER 04 제어 유니트
4.1 제어 유니트의 기능
4.2 제어 유니트의 구조
4.3 마이크로명령어의 형식
4.4 마이크로프로그래밍
4.4.1 인출 사이클 루틴
4.4.2 간접 사이클 루틴
4.4.3 실행 사이클 루틴
4.5 마이크로프로그램의 순서제어
기본문제
연습문제
CHAPTER 05 기억장치
5.1 기억장치의 분류와 특성
5.2 계층적 기억장치시스템
5.2.1 필요성 및 효과
5.2.2 기억장치 계층
5.3 반도체 기억장치
5.3.1 RAM
5.3.2 ROM
5.4 기억장치 모듈의 설계
5.5 캐시 메모리
5.5.1 캐시 용량
5.5.2 인출 방식
5.5.3 사상 방식
5.5.4 교체 알고리즘
5.5.5 쓰기 정책
5.5.6 다중 캐시
5.6 DDR SDRAM
5.6.1 SDRAM
5.6.2 DDR SDRAM
5.6.3 기억장치 랭크
5.7 차세대 비휘발성 기억장치
5.7.1 PRAM
5.7.2 FRAM
5.7.3 MRAM
기본문제
연습문제
CHAPTER 06 보조저장장치
6.1 하드 디스크
6.1.1 디스크의 구조
6.1.2 디스크 액세스 시간
6.2 RAID
6.2.1 RAID 출현의 배경
6.2.2 RAID의 종류
6.3 플래시 메모리와 SSD
6.3.1 플래시 메모리
6.3.2 SSD
기본문제
연습문제
CHAPTER 07 시스템 버스, I/O 및 인터럽트
7.1 시스템 버스
7.1.1 시스템 버스의 조직
7.1.2 시스템 버스의 기본 동작
7.2 버스 중재
7.2.1 병렬 중재 방식
7.2.2 직렬 중재 방식
7.2.3 폴링 방식
7.3 I/O 장치의 접속
7.3.1 I/O 제어
7.3.2 I/O 주소지정
7.4 인터럽트를 이용한 I/O
7.4.1 다중 인터럽트 방식
7.4.2 데이지-체인 방식
7.4.3 소프트웨어 폴링 방식
7.5 DMA를 이용한 I/O
기본문제
연습문제
CHAPTER 08 고성능 컴퓨터시스템 구조
8.1 병렬처리의 개념 및 필요성
8.2 병렬처리의 단위
8.3 병렬컴퓨터의 분류
8.3.1 Flynn의 분류
8.3.2 기억장치 액세스 모델에 따른 분류
8.3.3 시스템 구성 방법에 따른 분류
8.4 다중프로세서시스템 구조
8.4.1 공유-기억장치 시스템 구조
8.4.2 분산-기억장치 시스템 구조
8.4.3 캐시 일관성 유지 프로토콜
8.5 그래픽처리유니트(GPU)
8.5.1 CUDA 프로그래밍 모델
8.5.2 GPU의 내부 구조
기본문제
연습문제
부록 A
부록 B
참고문헌
기본문제 정답
김종현 [저]
연세대학교 공과대학 전기공학과 (공학사) 연세대학교 대학원 전기공학과 (공학석사) Arizona State University, Department of Electrical and Computer Engineering (Ph.D) 한국전자통신연구소 컴퓨터연구단 프로세서구조연구실 실장 1990.3~현재: 연세대학교 과학기술대학 컴퓨터정보통신공학부 교수 저서 및 역서 [컴퓨터구조론], [병렬컴퓨터구조론], [컴퓨터시스템구조론](역서) 연구분야 컴퓨터구조, 병렬처리, 임베디드시스템, 클라우드컴퓨팅
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