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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.

ㆍ 컴퓨터 기초(1~3장) : 컴퓨터를 구성하는 요소와 컴퓨터에서 처리되는 데이터를 표현하는 방법을 알아봅니다. 또 컴퓨터 하드웨어의 기본인 디지털 논리 회로를 핵심만 빠르게 정리합니다.

ㆍ 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.

ㆍ 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.
ㆍ 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.

ㆍ 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.

ㆍ 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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