류프리

제1항 명령어(Instruction)

(１) 컴퓨터의 명령어

1) 컴퓨터에 대한 일련의 연산을 기술한 2진 코드를 말한다.

2) 컴퓨터에게 특수한 동작(명령어)을 수행할 것을 알리는 비트들의 집합이고, 연산코드부분과 주소부분(피연산자)으로 나뉘어지고 메모리에 저장된다.

① op(operation) code

• 연산코드 부분은 동작(Operation)을 정의한 비트들의 집합으로 n비트로 구성되며 최대 2ⁿ 개의 서로 다른 연산이 실행 가능하다.

• 연산기능

                             i.         산술연산 (ADD, SUB, MUL, DIV, SHIFT, etc…)

                            ii.         논리연산 (NOT, Complement, Shift, Rotate, etc…)

                           iii.         단항연산자(Unary Operator)

1.      피연산자가 1개만 필요한 연산자

2.      NOT, Complement, Shift, Rotate, MOVE 등

                           iv.         이항연산자(Binary Operator)

1.      피연산자가 2개 필요한 연산자

2.      사칙연산, AND, OR, XOR, XNOR 등

                            v.         AND (Masking Operation) : 특정 비트를 삭제 시키는 연산

                           vi.         OR (Selective-Set) : 특정 비트를 삽입하거나 1로 세트 시키는 연산

                          vii.         XOR(Compare) : 두개의 데이터를 비교하거나, 특정 비트를 반전시킬 때 사용

                         viii.         NOT(Complement) : 각 비트의 값을 반전시키는 연산, 보수를 구할 때 사용

                           ix.         논리 shift: 왼쪽 또는 오른쪽으로 1bit씩 이동하는 연산, 직렬 전송에 사용

                            x.         Rotate : shift에서 밀려 나가는 비트값을 반대편으로 입력하는 연산, 문자의 위치를 변환할 때 사용

                           xi.         산술 shift: 부로흘 고려하여 자리를 이동시키는 연산, 곱하거나 나눌 때 사용

• 전달기능

                             i.         Load: 기억장치의 내용을 중앙처리장치에 전달하는 명령어

                            ii.         Store: 중앙처리장치의 정보를 기억장치에 기억시키는 명령어

                           iii.         Move: 특정 레지스터의 내용을 다른 레지스터로 옮기는 명령어

                           iv.         Push, pop: 스택에 자료를 저장, 인출하는 명령어

• 제어기능

                             i.         무조건 분기 명령 (GOTO, JUMP, etc…)

                            ii.         조건 분기 명령 (IF, SPA, SNA, SZA, etc…)

                           iii.         Call, Return

• 입∙출력 기능

                             i.         CPU와 I/O 장치, 또는 메모리와 I/O장치 사이에서 자료를 전달하는 기능

                            ii.         INPUT(입출력 → 주기억), OUTPUT(주기억 → 입출력)

② operand

• 피연산자(operand)는 처리할 데이터가 저장되어 있는 레지스터나 메모리 워드주소, 또한 연산결과가 저장될 장소의 주소를 나타낸다.

3) 4096 * 16 메모리

① 주소지정방식

• 묵시적 주소지정방식 (Implied mode)

                             i.         명령어의 형식 상 이미 Operand가 묵시적으로 정해지는 주소 지정 방식

                            ii.         0-주소 명령의 경우 Operand 없이 Stack을 사용한다.

                           iii.         1-주소 명령의 경우 누산기임을 알수 있다.

• 즉시 주소지정방식 (Immediate mode)

                             i.         명령어 자체에 실제 데이터를 가지고 있는 방식이다.

                            ii.         별도의 기억장소를 액세스하지 않고 CPU에서 곧바로 자료를 이용할 수 있어서 실행 속도가 빠르다는 장점이 있다.

                           iii.         명령어의 길이에 영향을 받으므로 표현할 수 있는 데이터 값의 범위가 제한적이다.

• 직접주소지정방식(dicrect mode)

                             i.         명령의 주소부(operand)가 사용할 자료의 번지를 표현하는 방식이다.

• 간접주소지정방식(indirect mode)

                             i.         명령어 내의 operand부에 실제 데이터의 주소가 아니고, 실제 데이터의 주소가 저장된 곳의 주소를 표현하므로, 최소한 주기억장치를 두번 이상 접근하여 데이터가 있는 기억장소에 도달한다.

                            ii.         명령어에 나타낼 주소가 명령어 내에서 데이터를 지정하기 위해 할당된 비트(operand 부의 비트) 수로 나타낼 수 없을 때 사용하는 방식이다.

                           iii.         명령의 길이가 짧고 제한되어 있어도 긴 주소에 접근 가능한 방식이다.

                           iv.         간접 주소지정방식을 사용하는 컴퓨터에서의 명령어 형식

I=0이면 직접 주소지정방식이고, I=1이면 간접 주소지정 방식이 된다.

• 계산에 의한 주소지정방식

                             i.         상대 주소 지정 방식

기본주소에 상대적으로 표시되는 주소 지정 방식

                            ii.         베이스 레지스터

                           iii.         인덱스 레지스터

② Op-code, operand size 구하기

• 하나의 워드의 크기가 16bit이고 워드가 4096개가 모여있다면

• 주소선은 4096 (2¹² (2¹⁰ * 2²)) 을 필요하기 때문에 12개의 주소선이 필요하다.

• 명령어 코드는 16-12 = 4개의 선이 필요하며, 명령어의 개수는 2⁴ = 최대 16개이다.

(２) 주소(Operand) 형식

1) 0-주소

① 오퍼랜드용 주소를 두지 않음

② 스택에 있는 데이터를 사용한다.

③ ADD

2) 1-주소

① AC (Accumulator)를 묵시적으로 이용하여 연산을 수행한다.

② ADD a             ; AC ← a + AC

③ LOAD X          ; AC ← M[X]

3) 2-주소

① 명령어에 2개의 오퍼랜드 주소가 포함

② ADD a, b

a ← a + b

③ 장점

• 실행속도가 빠르고 기억장소를 많이 차지하지 않는다.

④ 단점

• 연산의 결과는 주소 Operand1에 저장되므로 Operand1에 있던 원래 자료가 파괴된다.

4) 3-주소 방식

⑤ 명령어에 3개의 오퍼랜드 주소가 포함

⑥ Add a, b, c

c ← a + b

⑦ 장점

• 원래의 자료를 파괴하지 않는다.

• 프로그램 전체의 길이를 짧게 할 수 있다.

• 주기억장치에 접근하는 횟수가 줄어든다.

⑧ 단점

• 한 개의 명령어 길이가 길어진다.

제1절 프로세서

제1항 중앙처리장치 구성요소

실행 파일이 중앙처리장치에서 실행되려면 주 메모리에 탑재되는 과정이 필요하다.

(１) 중앙처리장치(CPU, Central Processing Unit)

1) 컴퓨터 시스템에 부착된 모든 장치의 동작을 제어하고 명령을 실행하는 장치

2) 제어장치, 연산장치, 레지스터로 구성

(２) 연산장치(ALU, Arithmetic and Logic Unit)

1) 산술연산, 논리연산등의 연산기능을 수행한다.

2) 상태 플래그 : ALU내의 상태를 표시한다.

3) 이동기 : 데이터를 좌우로 이동한다.

4) 보수기 : 보수 연산

5) 산술 및 부울 로직 : 산술 연산과 논리 연산을 담당한다.

(３) 제어장치(Control Unit)

1) 프로그램에 의해 주어진 연산의 순서대로 실행하기 위해 기억, 연산, 입출력장치에 제어신호를 발생한다.

2) 제어장치의 동작

① 1단계: 명령어를 해독 제어장치내의 명령어 레지스터에 저장

② 2단계: 명령어 레지스터에 저장된 명령어를 실행 (명령어 실행단계)

3) 명령레지스터, 명령해독기, 타이밍 및 제어신호을 발생한다.

(４) 레지스터(Registers)

1) 프로세서 내부에서 메모리 기능을 수행한다.

2) 레지스터는 컴퓨터 기억장치들 중 액세스 속도가 가장 빠르다.

3) 범용 레지스터, 시스템 레지스터, 상태 레지스터 등으로 구성

4) 특수 레지스터와 범용 레지스터 종류.

① 범용 레지스터

• CPU 연산을 빠르게 처리하기 위해 ALU와 직접 연결

• 연산 대상이 되는 오퍼랜드 값을 가진다.

② 특수 레지스터

• 명령어를 실행할 때 필요한 범용 데이터가 아닌 특수한 데이터를 처리하기 위한 레지스터

• 프로그램 카운터(PC), 명령어 레지스터(IR), 상태 레지스터(SR), 메모리 주소 레지스터(MAR), 메모리 버퍼 레지스터(MBR) 등

③ 프로그램 카운터 (PC, Program Counter)

• 인출할 명령어가 있는 메모리의 주소를 갖는 특수 레지스터

• 프로그램 메모리에서 한 개의 명령어 인출이 끝나면, 그 명령어의 크기가 더해진 값으로 자동 변경되어 다음 명령어 인출을 위한 주소를 가진다.

④ 명령어 레지스터 (IR, Instruction Register)

• 프로그램 메모리에서 인출된 명령어를 기억하고 있는 특수 레지스터

• 인출된 명령어에는 연산동작(opcode), 연산대상(operand), 연산결과(result) 어드레싱 모드 등의 정보를 설정한다.

⑤ 상태 레지스터 (PSW, Program Status Word)

• 시스템 내부의 순간 상태가 기록된 정보를 PSW라고 한다.

• 명령어를 실행한 후의 연산 결과 정보를 기록한다.

• 기록된 상태 레지스터의 각 비트는 연속되는 다음 명령어 실행에 영향을 미침

⑥ 메모리 주소 레지스터 (MAR, Memory Address Register)

• 기억장치를 출입하는 데이터의 번지를 기억하는 레지스터

⑦ 메모리 버퍼 레지스터 (MBR, Memory Buffer Register)

• 기억장치를 출입하는 데이터가 잠시 기억되는 레지스터

⑧ 누산기 (AC, Accumulator)

• 데이터 인출 또는 기록 과정에서 데이터나 주소를 임시로 저장하기 위한 특수 레지스터

⑨ 플래그 레지스터

• CPU 내부에서 방금 행한 연산의 결과로 나타나는 상태 (결과가 0인지, 음수인지, 양수인지), 캐리 및 오버플로의 발생 여부 등의 상태를 나타내는 레지스터

제1항 순서논리회로

(１) 순서논리회로

1) 출력이 입력에 의해서만 결정되지 않고, 기존에 들어왔던 입력들의 영향 또한 받는 논리회로를 말한다. 조합논리와 순차논리회로의 차이점은 조합논리회로는 현재 입력만을 통해서 출력이 결정되지만 순차논리회로는 이전에 입력되었던 값에 의해서도 영향을 받는다.

2) 플립플롭, 카운터, 레지스터, RAM, CPU등이 있다.

(２) 플립플롭 (Flip-Flop, FF)

1) 1비트의 정보를 보관 유지할 수 있는 회로이며 순차 회로의 기본요소이다. 플립플롭은 이전상태를 계속 유지한다.

2) 디지털 시스템 설계에서의 회로를 구성할 때, 조합논리와 결합하여 순차회로의 기능을 구현한다. 마이크로프로세서와 같은 디지털 로직을 사용하는 많은 전자회로에 사용된다.

3) 지연된 하나의 출력을 피드백하여 입력에 넣음으로써 정보를 보관 유지하는데 사용하는 특징이 있다.

4) 플립플롭은 구조상 휘발성이다. 정보는 전원이 있을때만 보관, 유지되며 전원이 차단되면 정보는 사라진다.

(３) S-R Flip-Flop

1) 여기서 S(set)는 출력 ‘1’을, R(reset)은 출력을 ‘0’으로 설정한다. S와 R입력이 모두 ‘0’이면, 이전상태가 유지된다.

(４) D Flip-Flop

1) 입력선을 하나만 구성한 플립플롭이다.

2) S-R 플립플롭에서 원하지 않은 상태 S(1), R(1)을 제거한 플립플롭이다.

3) D 플립플롭이라는 이름은 Data를 전달하는 것과 지연(Delay)하는 역할에서 유래되었다.

(５) J-K Flip-Flop

1) J-K플립플롭은 S-R플립플롭에서 S(1), R(1)인 경우 출력이 불안정한 상태가 되는 문제점을 개선하여 S(1), R(1)에서도 동작하도록 개선한 회로이다.

2) J-K 플립플롭의 J는 S(set), K는 R(reset)에 대응된다.

3) J(1), K(1)인 경우 J-K 플립플롭의 출력은 이전 출력의 보수 상태로 변한다.

4) J-K 플립플롭은 플립플롭중에서 가장 많이 사용되는 플립플롭이다.

(６) T Flip-Flop

1) J-K 플립플롭의 J와 K 입력을 묶어서 하나의 입력신호 T로 동작시키는 플립플롭이다.

2) J-K 플립플롭의 동작 중에서 입력이 모두 ‘0’이거나 ‘1’인 경우만을 이용하는 플립플롭이다.

3) T 플립플롭의 입력 T(0)이면, J(0), K(0)인 J-K 플립플롭과 같이 동작하므로 출력은 변하지 않는다. T(1)이면, J(1), K(1)인 J-K 플립플롭과 같이 동작하므로 출력은 보수가 된다.

제1항 조합논리회로

(１) 현재 입력에 따라 출력이 항상 결정되는 논리회로를 말한다. 현재 입력뿐만 아니라 이전 입력의 영향 또한 함께 받는 순차논리회로와는 구별된다. 실제 컴퓨터 회로에서는 일반적으로 조합논리회로와 순차논리회로가 함께 쓰인다. 산술논리 연산장치(ALU)의 경우 수학적인 계산은 조합논리회로로 구성하고, 처리순서를 조절할때에는 순차논리회로를 이용한다.

(２) 종류

1) 가산기, 비교기 디코더, 인코더, 멀티플렉서, 디멀티플렉서, 코드 변환기, 패리티 발생기/검출기

(３) 반가산기 (Half Adder, HA)

1) 1비트의 2개 2진수를 더하는 조합논리회로

2) 2개의 입력과 2개의 출력으로 구성된다.

3) 2개의 입력은 피연산수 x와 연산수 y이며, 출력은 sum과 carry이다.

(４) 전가산기 (Full Adder, FA)

1) 하위비트에서 발생한 올림수를 포함하여 3개의 입력 비트들의 합을 구하는 조합논리회로

2) 3개의 입력과 2개의 출력으로 구성된다.

3) 3개 입력은 피연산수 x와 연산수 y, 그리고 하위 비트에서 발생한 올림수 c_i 가 되고, 출력변수는 출력의 합s(sum)과 올림수 c(carry)를 발생하는 회로이다.

4) 전가산기의 부울 대수식

S = (A ⊕B) ⊕C_i

C_i+1=(A ⊕B)C+AB

5) 전가산기의 조합논리회로

(５) 디코더 (Decoder)

디코더(decoder)란 n비트의 2진 코드를 입력으로 받아들여 최대 2ⁿ개의 서로 다른 정보로 바꿔주는 조합논리회로이다. 입력값에 따라 선택된 하나의 출력선이 나머지 출력선들과 반대값을 갖는다. 예를 들어 AB값이 01일 경우에는 D₁만이 1이고 나머지 출력선 D₀, D₂, D₃은 모두 0이 되다.

디코더

(６) 인코더 (Encoder)

인코더(encoder)는 디코더의 반대되는 기능(입력과 출력이 바뀐 기능)을 수행하는 회로이다. 즉 2ⁿ개 이하의 입력선과 n개의 출력선을 갖는다.

(７) 멀티플렉서(Multiplexer)

여러 개의 데이터 입력을 받아 그 중 하나를 선택하여 출력하는 조합논리회로이며, 데이터 선택선이라고도 한다.

(８) 디멀티플렉서(Demultiplexer)

하나의 입력선에 정보를 싣고 2ⁿ개의 가능한 출력선 중 하나로 정보를 전송하며 특정 출력의 선택선은 n개의 선택선에 의해 제어된다.

제1절 논리회로

논리회로는 불 대수를 물리적 장치에 구현한 것으로, 하나 이상의 논리적 입력값에 대해 논리 연산을 수행하여 하나의 논리적 출력값을 얻는 전자회로를 말한다. AND, OR, NOT의 기본 불 대수를 수행하며, 이 기본적인 불 대수들의 결합으로 복합적인 논리 기능을 수행한다.

논리회로에 앞서 선행되어야 하는 토픽들

제1항 불 대수

(１) 기본적인 논리함수

1) 논리곱(AND)

① 모든 입력이 1인 경우에만 1을 출력한다.

② AND 게이트 기호와 진리표

③ AND 게이트의 대수적 표현

2) 논리합(OR)

① 입력 중 최소한 한 개 이상의 입력이 1을 갖는 경우 1을 출력한다.

② OR 게이트 기호와 진리표

③ OR 게이트의 대수적 표현

3) 부정(NOT)

① 입력에 대하여 반대로 출력한다.

② NOT 게이트 기호와 진리표

③  NOT 게이트의 대수적 표현

4) XOR 게이트

① 두 입력이 서로 반대되는 조건인 경우 1을 출력한다.

② XOR 게이트 기호와 진리표

③  NOT 게이트의 대수적 표현

5) NAND 게이트

① AND와 NOT 게이트의 결합형태로 결과는 AND게이트와 반대로 동작한다.

② NAND 게이트 기호와 진리표

③  NAND 게이트의 대수적 표현

6) NOR 게이트

① OR와 NOT 게이트의 결합형태로 결과는 OR게이트와 반대로 동작한다.

② NOR 게이트 기호와 진리표

③  NOR 게이트의 대수적 표현

7) NXOR 게이트

① XOR와 NOT 게이트의 결합형태로 결과는 XOR게이트와 반대로 동작한다.

② NXOR 게이트 기호와 진리표

③  NXOR 게이트의 대수적 표현

(２) 불 대수 (Boolean Algebra)

1) 하나의 명제가 참 또는 거짓인가를 판단하는 데 이용되는 수학적인 방법

2) 동일한 성능을 갖는 더 간단한 회로로 만들 수 있다.

3) 부울 대수를 사용하면 변수들의 진리표 관계를 대수식으로 표현하기에 용이하다.

(３) 불 대수의 기본 공식

1) 교환법칙

A ∙ B = B ∙ A

A + B = B + A

2) 결합법칙

A ∙ (B ∙ C) = (A ∙ B) ∙ C

(A + B) + C = A + (B + C)

3) 분배법칙

A ∙ (B + C) = (A ∙ B) +(A ∙ C)

A + (B ∙ C) = (A + B) ∙ (A + C)

4) 멱등법칙

A + A = A

A ∙ A = A

5) 보수법칙

A + A^’ = 1

A ∙ A^’ = 0

6) 항등법칙

A + 0 = A

A + 1 = 1

A ∙ 0 = 0

A ∙ 1 = A

7) 콘센서스법칙

AB + BC + CA^’ = AB + CA^’

8) 드모르강

(A + B)^’ = A^’ ∙ B^’

(A ∙ B)^’ = A^’ + B^’

9) 복원법칙

A^’’ = A

10) 흡수법칙

A + A ∙ B = A

A ∙ A + B = A

(４) 불 대수의 간소화

1) 방법

① 불 대수의 기본공식을 이용하여 간소화 한다.

2) 예제

① Y = AB + AB^’ + A^’B

A ∙ (B+B^’) + A^’B

A∙(1) + A^’B

A + A^’B

(A+A^’) ∙ (A+B)

1 ∙ (A+B)

(A+B)

② A + A∙B = A

③ A+A^’B

(A+A^’) ∙ (A+B)

1 ∙ (A+B)

A+B

④ A+A∙B^’ = A

⑤ A ∙ (A+B) = A

⑥ A ∙ (A^’+B)

(A ∙ A^’) + (A ∙ B)

0 + (A ∙ B)

A ∙ B

⑦ 불 대수가 옳지 않은 것은?

가. A+A^’∙B=A                  나. A∙A=A     

다. A+A∙ B^’=A                라. A∙ (A+B)=A

가. A+A^’∙B = (A+A^’)∙(A+B) = 1∙(A+B) = A+B

나. A∙A=A

다. A+A∙ B^’=A (흡수법칙)

라. A∙ (A+B)=A (흡수법칙)

(５) 카르노 맵 (K-map : Karnaugh Map)

1) 최소항과 최대항

최소항(Minterm)과 최대항(Maxterm)은 논리회로에서 카르노 맵 간략화를 위해 필요하다.

① 최소항

•  진리표에서 1의 값을 가지는 변수를 모두 찾아서 곱의합으로 표시할수 있는데  이를 최소항이라고 한다.

•  정사각형은 함수의 최소항들을 나타낸다.

② 최대항(Maxterm)

•  최소항은 곱들의 합 형태이고, 최대항은 합들의 곱 형태이다.

•  최대항은 최소항의 보수라고 볼수 있다.

2) 카르노 맵 간소화 규칙

① 함수에서 사용될 최소항들을 표 안에 표시한다.

② 입력변수가 2개(a,b), 3개(a,b,c), 4개(a,b,c,d)인 경우에 사용된다.

③ 2의 거듭제곱으로 묶는다 (1,2,4,8,16)

④ 이웃한 항끼리 묶는다.

⑤ 직사각형이나 정사각형의 형태로 묶는다.

3) 2, 3, 4 변수 맵

① 2변수 맵

•  A’B’ + AB 

② 3변수 맵

•  A’B’C’ + A’B’C = A’B’(C’+C) = A’B’(1) = A’B’

Or 

•  AB’C’ + ABC’ = AC’(B’+B) = AC’(1) = AC’

•  A’B’C’ + AB’C’ = B’C’(A’+A) = B’C’(1) = B’C’

③ 4변수 맵

•  2개 그룹

가.   ABC’D + AB’C’D = C’D(AB+AB’) = C’D(A(B+B’)) = C’D(A(1)) = C’DA = AC’D 

나.   A’B’CD+AB’CD=B’CD(A’+A)=B’CD(1) =B’CD 

• 4개 그룹

• 8개 그룹

4) 예제

① 논리 함수식 F(A,B,C) = ∑(2,4,5,7)으로 간략화하면

                       A’BC’ + AB’ + AC

② 다음과 같이 표시된 카르노(karnaugh)도를 간소한 식은 

A+ C’ 

③ 다음과 같이 표시된 카르노(karnaugh)도를 간소한 식은 

C’