1 장 마이크로프로세서 소개

1. 1장 마이크로프로세서 소개 Slide 1 (of 24)

2. 학습개요 이번 시간에는... “Introduction to Microprocessor”에 대해 알아보겠습니다. 학 습 목 표 일반적인 컴퓨터와 마이크로프로세서의 차이점에대해 알아보고 마이크로프로세서의 역사적인 배경에 대해 설명한다. 학 습 목 차 • Computer 역사 • 컴퓨터와 인간 • 컴퓨터의 발전방향 • Mini Computer • Microprocessor 출현 • Microprocessor(CPU)의 발전사 • Intel 사의 Microprocessor 발전 현황 Slide 2 (of 24)

3. Computer 역사 • 1) Computer의 역사_1 >> Computer의 원조 : 기원전 3000년 수판(가, 감, 승, 제) • 고대인들은 셈을 하기 위하여 손과 손가락을 사용 • 땅에 적당한 깊이의 작은 구멍을 몇개 파고, 그 안에 조약돌이나 조개껍질 등을 나타내고자 하는 수 만큼 담아서 표시 • 또는 염주알(beads)이 쓰이기도 했으며 이는 후에 주판으로 발전 • 주판은 기원전 3천년 경에 메소포타미아(Mesopotamia)에서 쓰인 이래 세계 여러 나라에서 쓰이게 되었으며, 지금까지도 일부 국가에서 사용 >> 17(1642)세기 프랑스 Pascal : 탁상용 계산기(기계식 adding machine) • 파스칼(Blaise Pascal : 1623-1662 : 프랑스)은 수학자이면서 물리학자, 철학자, 종교사상가로서 1642년에 가감산을 할 수 있는 계산기를 발명 • 이 계산기는 0에서 부터 9까지 표시할 수 있는 10개의 톱니를 가진 톱니바퀴가 여러개 있어서 이들로써 가감산을 하도록 만들어 졌음. Slide 3 (of 24)

4. Computer 역사 • 1) Computer의 역사_2 >> 라이프니쯔의 계층통(Leibniz's Wheel-1673) • 라이프니쯔(Gattfried Wilhelm von Leibniz : 1646-1716 : 독일)는 당시 독일의 세계적인 철학자이며 수학자, 물리학자로서 외교관이기도 했던 그는 가감산 뿐만 아니라, 가산의 연속으로 승산을 할 수 있는 계층통을 만들었으나 제작과 사용의 불편으로 널리 쓰이지는 못함. >> 1822 영국 수학자 Babbage : 치차 계산기(프로그램내장방식 제안) • 챨스 바베지의 해석기관(Charles Babbage-Analytical Engine-1833) , 바베지(Charles Babbage : 1791-1871 : 영국)는 캠브리지 대학의 수학교수로 천문학, 지질학, 고고학 등 다른 학문에도 관심이 많았으며, 특히 1823년에는 계차법의 원리를 이용하여 다항식을 전개하는 계차 기관(Difference Engine)을 만들었고 1833년에는 세계 최초의 자동계산기인 해석기관(Analytical Engine)을 설계·제작함으로써 컴퓨터 개발에 큰 공적을 남김. • 이 계산장치는 범용적인 자동 축차방식의 계산기로서, 오늘날의 계산기와 비슷한 기억연산, 제어 및 입출력의 기능을 갖도록 설계 되었으며, 다음과 같은 4개의 부분으로 이루어짐. • 밀(mill)/스토어(store)/제어기구/입출력기구 Slide 4 (of 24)

5. Computer 역사 • 1) Computer의 역사_3 >> 펀치 카드 시스템(Punch card system) • 미국 통계국의 홀러리스(Herman Hollerith : 1860-1929) 박사가 고안하여 1890년 미국여론조사에 사용함으로써 큰 효과를 본 자료분류 및 분석 시스템 • 카드 분류기(sorter)와 회로개폐장치(circuiting closing device) 및 기계적 계수기로 구성 >> 1946 미국 최초 전자계산 장치 ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Calculator) : 18,800개 진공관 Slide 5 (of 24)

6. Computer 역사 • 2) Computer의 역사 요약 1642 프랑스 Pascal :탁상용 계산기(기계식 adding machine) 1801 Jacquard :천공카드(옷감에 무늬를 염색하기 위한 천공 카드) 1822 영국 수학자 Babbage :치차 계산기(프로그램내장방식 제안) 1946 미국 최초 전자계산 장치 ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Calculator) : 18,800개 진공관 1949 Stored-program 방식(Program 내장방식) 채택 Von Neumann이 EDSAC개발 1세대 (1954-59) 진공관 ENIAC, UNIVAC, EDVAC 2세대 (1957-64) 트랜지스터 IBM1401 3세대 (1960년대 중반) 대규모집적회로(LSI) IBM 360 4세대 (1970년대 초반) VLSI IBM 370 기원전3000년 Computer의 원조 : 수판(가, 감, 승, 제) Slide 6 (of 24)

7. Computer 역사 • 3) 세대별 소자 변천 과정 VLSI LSI 4세대 IC 3세대 TR 2세대 진공관 1세대 Slide 7 (of 24)

8. Computer 의 발전 방향 통신 접속성 • 컴퓨터의 분류 및 발전 방향 소형컴퓨터 NC NetPC Workstation 대형컴퓨터 PC Mainframe Client Notebook Supercomputer PDA (Personal Digital Assistant) 슈퍼컴퓨터 이동성 컴퓨팅 Power microprocessor Embedded system • 수백 MIPS ~ GIPS • (Million/Giga Instructions per Second) • 수백 Mega FLOPS ~ Tera FLOPS • (Mega Floating-Point Operations per • Second) Slide 8 (of 24)

9. ? ? Microprocessor 출현 • Microprocessor 출현 배경 • 1969년 인텔의 연구개발자 테드 호프 박사는 슈퍼컴퓨터의 중앙처리장치(CPU)를 대신할 수 있는 초소형 연산기에 대해 고민하고 있었다. • 때마침 인텔의 경영진들은 일본의 부지컴이라는 계산기를 만드는 전자회사로부터 전자식 탁상시계 CPU를 12개의 칩으로 만들어 줄 것을 요구받았다. • 그러나 인텔은 당시 자본금이나 연구인력이 적었기 때문에 12개의 칩을 만드는 것은 상당히 어려웠다. • 생각 끝에 호프 박사는 부지컴이 요구한 기능을 하나의 실리콘 칩에 모두 집적화할 수 있는 방법을 고안해냈다. • 그러나 부지컴이 파산하면서 인텔의 경영진들은 고민 끝에 승부수를 던졌다. ‘4004’를 독자 브랜드로 출시 • 이것이 바로 마이크로프로세서(MPU:Micro Processor Unit)의 출현 배경이다. “ 들고 다니며 필요할 때마다꺼내 계산할 수 있는 손바닥만한 작은 컴퓨터는 어떻게 만들까? ” ⊙ 칩 안에 컴퓨터가 있다’는 마케팅 전략을 세우고 공격적인 영업을 펼침 ⊙ 프로그램만 바꾸면 다양한 연산기능을 수행할 수 있고 전혀 다른 용도의 제품 개발이 가능하다는 장점이 알려지면서 이 조그만 마이크로프로세서는 폭발적인 인기를 얻었다 테드 호프(Ted Hoff) Slide 9 (of 24)

10. Microprocessor(CPU)의 발전사 • History of microprocessor 2300개의 트랜지스터로 구성됐고 속도는 108㎑ 4004 1972년 8비트 마이크로프로세서 ‘8008’이 등장, 4004는 4040으로 8008 1973년 8비트 상용 제품인 ‘8080’ 개발 8080’이 본격적인 상용화 8080 ⊙ ‘8080’은 버클리대학 컴퓨터공학과 교수였던 게리 킬달이 인텔에 입사하면서 개발한 전용 운용체계 CP/M이 보급확대되면서 각종 연산기기의 CPU로 널리 사용됐다 Z80 자일로그사 ‘8080’의 완전 상위호환 CPU인 ‘Z80’을 개발 마이크로프로세서 시장 경쟁체제 도입 모토로라도 ‘6800’이라는 8비트 마이크로프로세서를 개발 6800 모스텍사도 자체 개발한 ‘6502’ 개발 6502 Slide 10 (of 24)

11. Microprocessor-based microcomputer • History of microprocessor 8086 1978년 16비트 마이크로프로세서인 인텔의 ‘8086’ ⊙ 인텔은 자사의 칩을 활용한 새로운 개념의 컴퓨터에 대해서 고민. 한 엔지니어가 인텔의 창시자인 고든 무어를 찾아와 일반가정에서도 사용할 수 있도록 키보드와 모니터를 장착한 컴퓨터를 내놓자고 제안했다. 1981년 인텔은 IBM과 함께 16비트 ‘8088’ 마이크로프로세서를 탑재한 최초의 개인용컴퓨터 ‘PC 5150’을 내놓으면서 PC혁명을 일으켰다. 8088 ⊙ 인텔 마이크로프로세서와 IBM PC 그리고 MS 운용체계 호환이라는 세계 표준을 급부상 시키는 역할을 했다. 자일로그사 16비트 ‘Z8000’을 내놓았다 Z8000 모토로라의 ‘MC68000’ 68000 ⊙ 모토로라는 인텔의 공략에 대응하기 위해 91년 애플, IBM과 공동으로 고성능 프로세서인 ‘파워PC’ 개발에 돌입, 독자적인 영역을 구축하기 시작했다 Slide 11 (of 24)

12. 4bit Microprocessor Data Input Data A 4비트 Data Input Data B 4비트 연산장치 Data Output 4비트 제어장치 Microprocessor(CPU)의 발전사 • Microprocessor(CPU)의 발전사 4BIT 8BIT 16BIT 32BIT 64BIT • 4BIT MICROCONTROLLER • ◊ 1968년 • ◊ 최초의 마이크로프로세서 4004 출시 • ◊ 데이터 버스가 4비트. • ◊ 2300개의 트랜지스터로 구성되었다. • ◊ CPU의 속도는 108㎑ • ◊ Intel 4004 LSI 기술 발전으로 소형계산기나 CRT 등의 주변장치 제어용으로 사용되었다 구조적인 특징: 입력 데이터 버스선과 출력 데이터 버스선이 분리되어 있는 구조이다. Slide 12 (of 24)

13. 8bit Microprocessor Data bus(8bit) 연산장치 제어장치 Data Inputs/output Microprocessor(CPU)의 발전사 • Microprocessor(CPU)의 발전사 4BIT 8BIT 16BIT 32BIT 64BIT • 8BIT MICROPROCESSOR • ◊1972년 : 8008 출시 • ◊ data bus(8bit), address bus(16bit) • ◊ CPU 종류 : Intel 8080,8085, Zilog-80, Motorola 6800, Apple 6502 • 애플(APPLE) 컴퓨터 : 1980년대에 전세계적으로 인기를 끌었던 8비트 컴퓨터(6502). • ◊주로 제어목적으로 사용 구조적인 특징: 입력 데이터 버스선과 출력 데이터 버스선이 동일한 버스를 사용하는 구조. Slide 13 (of 24)

14. Microprocessor(CPU)의 발전사 • Microprocessor(CPU)의 발전사 4BIT 8BIT 16BIT 32BIT 64BIT • 16BIT MICROPROCESSOR • ◊ data bus(16bit), address bus(20bit) • ◊ 1978년 • ◊ CPU 종류 : Intel 8086, 8088, Zilog Z8000, Motorola M68000 • ◊ 16비트 CPU는 16비트 단위로 자료를 처리할 수 있다. 덕분에 8비트 컴퓨터에 비해서 상당한 성능 개선과 처리 용량의 향상이 이루어졌다. • ◊ 1980년 최초의 16비트 컴퓨터는 IBM PC XT이다. • ◊인텔은 16비트 프로세서인 8086을 개발했으나 생산비의 상승 때문에 기능을 축소시킨 8088을 만들었고, 결국 IBM PC XT에 8088을 장착하게 되었다 • ◊ 메모리 용량을 극복하기 위하여 세그먼트(segment) 도입 • ◊ 연산전용 보조 프로세서(co_processor)를 장착하여 연산기능 향상 • ◊ 80286은 한때 286 컴퓨터(IBM AT (Advanced Technology, 6 or 8MHz))에 사용되었고, 8086에 비해서 4배 가량의 성능 향상이 이루어진 제품으로 메모리 지원 강화, 동시에 여러 작업을 수행할 수 있는 멀티타스킹(multi-tasking) 지원이 가능해졌다. • ◊ 주로 개인용 컴퓨터로 사용 Slide 14 (of 24)

15. Microprocessor(CPU)의 발전사 • Microprocessor(CPU)의 발전사 4BIT 8BIT 16BIT 32BIT 64BIT • 16BIT MICROPROCESSOR 16bit Microprocessor(8088,80286) Data bus(16bit) 연산장치 제어장치 세그먼트(segment) 도입 멀티타스킹 지원가능 Co-processor 사용 연산전용 프로세서 사용(8087,80287) 구조적인 특징: 연산전용 보조 프로세서(co_processor)를 장착하여 연산기능 향상 Slide 15 (of 24)

16. Microprocessor(CPU)의 발전사 • Microprocessor(CPU)의 발전사 4BIT 8BIT 16BIT 32BIT 64BIT • 32BIT MICROPROCESSOR • ◊ 1985년대 중반 • ◊Intel 386(80386), 486(80486), 펜티엄(Pentium), 펜티엄프로, 펜티엄II는 모두 32비트 프로세서이다. Z80000, M68020 • ◊ 80486(줄여서 486)까지는 32비트 단위로 자료를 처리할 수 있었지만, 펜티엄에서는 32비트 정수 연산기를 두 개 내장하고 있으므로 한번에 두 개의 자료를 동시에 처리할 수 있게 되었다. 초기에는 펜티엄을 64비트 프로세서라고 과장하는 경우도 있었지만, 실제로는 32비트 프로세서이다. • ◊CPU 클럭 증가로 속도 향상(33MHz 이상) Slide 16 (of 24)

17. Microprocessor(CPU)의 발전사 • Microprocessor(CPU)의 발전사 4BIT 8BIT 16BIT 32BIT 64BIT • 32BIT MICROPROCESSOR 32bit Microprocessor(80386) Data bus(32bit) 연산장치 제어장치 80387 Co-processor 사용 가상메모리 기법 도입 논리적 메모리 용량한계 극복 구조적인 특징: 논리적 메모리 용량한계를 극복하기 위하여 가상메모리기법 도입 Slide 17 (of 24)

18. Microprocessor(CPU)의 발전사 • Microprocessor(CPU)의 발전사 4BIT 8BIT 16BIT 32BIT 64BIT • 32BIT MICROPROCESSOR 32bit Microprocessor(80486) Data bus(32bit) 연산장치 제어장치 (32bit) Co-processor 사용 캐쉬 메모리 가상메모리 캐쉬메모리 탑재 속도 향상 구조적인 특징: RISC 기법 도입, 속도 향상5단계 파이프 라이닝 기법 Slide 18 (of 24)

19. Microprocessor(CPU)의 발전사 • Microprocessor(CPU)의 발전사 4BIT 8BIT 16BIT 32BIT 64BIT • 32BIT MICROPROCESSOR 32bit Microprocessor(586:Pentium) Data bus(32bit) 연산장치 제어장치 (64bit) Co-processor 사용 캐쉬 메모리 가상메모리 캐쉬메모리 탑재 속도 향상 구조적인 특징: CPU 내부 버스를 64비트로 확장 MMX기법 도입 Slide 19 (of 24)

20. Microprocessor(CPU)의 발전사 • Microprocessor(CPU)의 발전사 4BIT 8BIT 16BIT 32BIT 64BIT • 64BIT MICROPROCESSOR • ◊한번에 64비트로 자료를 처리 해서 성능 개선. • ◊워크스테이션, 서버급으로 사용가능 • ◊IMB686, ALPHA CHIP 등 64bit Microprocessor(PentiumII 이상) Data bus(64bit) 연산장치 제어장치 (64bit) Co-processor 사용 캐쉬 메모리 가상메모리 구조적인 특징: 입출력 데이터 버스선이 64비트로 구성됨 Slide 20 (of 24)

21. Microprocessor 기본 구조 • Micro Computer 기본구조 • Mini-computer보다 더 적다는 표현으로 Micro를 사용 Micro Computer Internal BUS 주변장치: 보조기억장치 입력기기 출력기기 CPU MEMORY I/O interface Microprocessor (MPU or CPU) Control Arithmetic (연산장치) +, -, *, /(4칙연산) (제어장치) 컴퓨터의 모든 기능 제어 Slide 21 (of 24)

22. Intel 사의 Microprocessor 발전 현황 • Intel 사의 Microprocessor 발전 현황 Intel 4004 microprocessor(1971) 최초의 4비트 마이크로프세서로서 2300여 개의 트랜지스터로 구성되었으며 속도응 100㎑에 불과하였으며, 마이크로프로세서라기 보다는 마이크로 콘트롤러(microcontroller)로 불리웠다 Intel 8008 microprocessor(1972) 8비트 마이크로프로세서로서 4004와 비교해서 수배 이상의 성능 향상을 이룬 제품으로 3,300개의 트랜지스터가 집적되었다. Intel 8080 microprocessor(1974) 8비트 마이크로프로세서로 서버클리 대학 컴퓨터공학과 교수였던 게리 킬달이 인텔에 입사하면서 개발한 전용 운용체계 CP/M이 보급 확대되면서 각종 연산기기의 CPU로 널리 사용되었으며, 최초의 개인용 컴퓨터에 사용되었다 Intel 8086,8088 microprocessor(1978) 16 비트 마이크로프로세서로서 IBM사에서 IBM PC는 이름으로 개인용 컴퓨터를 출시하였다. 16비트의 내부 레지스터와 8비트 데이터 버스 운영체제로 80년대 초 16비트급 개인용 컴퓨터를 주도한 XT급 IBM PC로 사용되었다. 이때 CPU의 클럭은 4.77MHz에서 8MHz가지 향상되었다. Intel 80286 microprocessor(1982) 16 비트 마이크로프로세서로서 IBM사에서 IBM PC는 이름으로 개인용 컴퓨터를 출시하였다. Slide 22 (of 24)

23. Intel 사의 Microprocessor 발전 현황 • Intel 사의 Microprocessor 발전 현황 Intel 386TM microprocessor(1985) 32 비트 마이크로프로세서로서 다중 작업(multi tasking)이 가능하였다. Intel 486TM DX CPU microprocessor(1989) 연산전용 프로세서를 탑재하여 CPU에서 연산하였던 복잡한 수학식을 전용프로세서가 분담하게리시간을 획기적으로 단축하였다. Intel Pentium Processor(1993) 사운드, 화상, 영상 등의 멀티미디어 처리 기능이 강화되어 개인용 컴퓨터의 성능을 향상 시켰다 Pentium Pro Processor(1995) 32비트 서버와 워크스테이션급의 컴퓨터 기능이 가능하였으며, 고속 computer-aided design, mnical engineering and scientific computation 등을 지원하고, 속도를 높이기 위하여 캐쉬 메모리를 탑재하였다. Pentium II Processor(1997) 비디오, 오디오, 그래픽 데이터들을 효과적으로 처리하기 위하여 Intel MMX 기술을 도입하였다. Celeron Processor(1999) Pentium II에서 512KB L2캐쉬를 제거하여 제조 단가를 낮춘 보급형 CPU로 개발하였다. Slide 23 (of 24)

24. Intel 사의 Microprocessor 발전 현황 • Microprocessor (MPU)의 역사 Pentium III Processor(1999) 3차원 그래픽과 동영상을 더욱 빠르게 실행시킬 수 있는 새로운 명령어 체계인 KNI(Katmai New Instruction)를 포함하고 있다. CPU와 메모리간의 데이터 접속속도가 빨라졌으므로 전체적으로 시스템 성능이 향상되었다 Pentium 4 Processor(2000) 1.5GHz의 고속 CPU로 강화된 온라인 게임, 디지털 비디오, 사진, 음성인식 및 MP3인코딩 등을 위하여 하이퍼 파이프라인형 기술이 도입되었고, 빠른 실행 엔진 그리고 펜티엄 III보다 3배나 더 우수한 대역폭을 제공하는 32비트 마이크로프로세서 기능들로 설계되었다 Itanium Processor(2001) 64비트 EPIC 구조로 설계되어 다량의 데이터 세트와 계산 집약형 트랜젝션을 처리할 수 있는 개방형 플렛폼 솔루션을 제공한다 Slide 24 (of 24)