[컴퓨터구조] 폰노이만 구조(아키텍쳐)

1. 컴퓨터의 세대별 발전 및 특징

컴퓨터의 세대	주요 소자	기억장치	특징
0세대 컴퓨터	기계적 릴레이	금속 기어, 카드	-
1세대 컴퓨터 (~1950년대 후반)	진공관	자기드럼	하드웨어 개발에 중점을 두었으며, 부피가 크고 전력 소모가 많음
2세대 컴퓨터 (~1960년대 초반)	트랜지스터	자기코어	고급 언어 등장
3세대 컴퓨터 (~1970년대 중반)	SSI, MSI	RAM, ROM	운영체제 개발, 다중 프로그래밍, 고급언어 활용
4세대 컴퓨터 (~2000년대)	LSI, VLSI	SRAM, DRAM	객체지향언어 사용, 개인용 컴퓨터 등장, 병렬 처리 기능 강화
5세대 컴퓨터 (2000년대 중반~)	VLSI, ULSI, GLSI, SoC	SDRAM, DRAM, flash	비노이만 구조 추구, 멀티코어 사용, 유비쿼터스 컴퓨팅 환경 조성

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2. 현대 컴퓨터의 발전

폰노이만 모델(아키텍쳐)

존 폰노이만이 1945년 프로그램을 저장하고 변경할 수 있는 프로그램 내장식 컴퓨터 모델 제안

폰노이만 아키텍쳐(von Neumann architecture), 프린스턴 아키텍쳐(Princeton architecture) 라고도 부른다.

앨런 튜링(Alan Turing)의 유니버설 기계(universal machine) 모델을 구체화한 형태

폰노이만 모델 이전 고정결선식 프로그램 컴퓨터 방식을 사용

 

⊙ 고정결선식 프로그램 컴퓨터(harwired program computer)

미리 정의된 기능을 물리적 · 하드웨어적으로 설계한 기계

스위치를 조작하거나 배선 연결을 변경함으로써 정해진 기능에 대한 결과를 생성할 수 있었으며, 하드웨어적으로 프로그래밍되었기 때문에 기능을 수정하려면 기계 내부의 세부적인 회로 연결 상태를 변경해야 했다.

 

⊙ 프로그램 내장식 컴퓨터(stored program computer)

컴퓨터 내부에 프로그램과 데이터를 저장하여 컴퓨터가 필요한 내용을 순서에 따라 인출하고 해독하도록 할 수 있어서 프로그램 자체와 프로그램에서 사용하는 데이터를 동일한 형태로 메모리에 저장할 수 있는 구조.

따라서 폰노이만 모델은 프로그램만 변경하면 데이터를 다양한 방식으로 처리할 수 있는 현대 범용 컴퓨터 개념의 시초.

 

⊙ CPU

• 제어장치 : 명령어를 해석하고 실행
• 산술논리장치 : 제어 신호에 따라 데이터를 다양한 형태로 연산

⊙ 메모리 특성

• 0, 1, ···, n-1 과 같은 순차적인 주소를 가진 워드로 구성
• 메모리는 명령어와 데이터를 구분 없이 저장하기 떄문에 명령어가 데이터와 동일한 방법으로 조작될 수 있다.
• 메모리에 저장된 워드는 인출될 때 컴퓨터의 상태에 따라 명령어나 데이터로 해석된다.

⊙ 폰노이만 병목(von Neumann bottleneck) : CPU와 메모리 사이의 연결 부분, CPU와 메모리 사이에 발생하는 트래칙이 성능에 큰 영향을 미쳐서 지연 현상이 발생하기 때문

 

하버드 아키텍처(Harvard architecture)

• 메모리를 2개로 분할하여 명령어와 데이터를 별도의 메모리에 저장한다.
• CPU의 제어장치와 연산장치를 별도의 버스로 각각 연결하여 명령어와 데이터를 병렬로 인출한다.

무어의 법칙(Moore's low)

경험적 관찰에 의해 예측한 것으로, 단일 마이크로칩에 포함된 트랜지스터의 수가 18개월마다 약 2배씩 증가한다는 것을 의미(초기에는 1년, 1975년부터 2년으로 수정되었다가 다시 18개월로 수정)

 

무어의 벽(Moore's wall) : 반도체 기술이 이미 한계에 도달했기 때문에 무어의 법칙을 유지하기가 어려울것으로 예측