20150128-1번-강경의-cpu기초 및 2의보수

☉CPU의 3대 구성 요소 : ALU , CU , Register

 

ALU      – 산술 논리 장치(Arithmetic Logic Unit)의 줄임말. 산술연산과 논리연산을 수행한다.

CU       – 제어 장치(Control Unit)의 줄임말로 CPU에 연결된 장치 제어를 담당한다.

Register - ① ALU와 CU를 제어하는 Register

             ②데이터를 저장하는 Register(Memory)

         - ①,②특성을 모두 가지고 있는 Register와 ②의 특성만 가진 Register가 있다.

           (단, ①특성만 가지고 있는 Register는 존재하지 않는다.)

 

☉ 주파수(Frequency)란?

 - 최소 단위의 주기가 1초 동안 반복되는 횟수.

    ex) 60Hz = 1초 동안 주기가 60번 반복되었다.또는 1주기가 시작해서 끝날 때 까지 1/60초가 걸린다.

 - 4GHz CPU라는 것은 1초에 덧셈을 4,000,000,000번 할 수 있다는 것

☉ 접두어 구분 Table : 주파수와 컴퓨터에서 사용하는 접두어는 다르다.

	Hz	Byte
1K	1000	1024
1M	1,000,000	8,388,608(1024KByte)
1G	1,000,000,000	8,589,900,000(1024MByte)

 

 

☉ 외부 메모리(CPU의 바깥쪽)

- 대부분 계산은 CPU에서 처리하는데 CPU 내부 메모리를 사용하는 것이 가장 속도가 빠르다.하지만 그만큼 가격이 비싸기 때문에 외부에 메모리를 두고 Bus를 통하여 외부 메모리와 데이터를 주고받으며 처리를 하게 되는데 CPU와 비교하였을 때 외부 메모리의 속도는 엄청 느리기 때문에 처리하는데 걸리는 시간이 늘어나게 되었다.

- 메모리제어는 최소 단위가 1byte이다.

- 따라서 프로그램을 구동할 때 가능한 한 CPU 내부에서 처리되도록 설계하는 것이 가장 속도가 빠르며 이를 '최적화’한다고 한다.

☆ Bus란?

- 전기선 다발로 CPU와 외부메모리 혹은 주변장치를 연결하는 통로를 의미한다.

- 8bit CPU는 Bus Line이 8개, 32bit CPU는 32개로 한 번에 처리하는 데이터의 양은 각각 8bit와 32bit이다.

☉ 변수선언  

- 변수(變數)란? 

   어떤 관계나 범위 안에서 여러가지 값으로 변할수 있는 것으로 컴퓨터에서는 임의의 메모리 공간을 확보하는 것으로 설명할 수 있고 수학에서 말하는 변수의 개념과 완전히 일치하지 않을수 있다.

- 변수의 특징

  1) 변수는 우선 선언되어야한다. Source Code 함수 내부 최상단에 위치하여야한다.(c언어 기준)

  2) 변수의 크기는 최소 1byte 이상이다.

  3) 변수의 위치는 Windows가 Program을 실행시 알아서 지정해준다.

  4) 변수의 위치를 기억하기 위해 "변수 이름"을 사용한다.

★5) 변수의 이름 규칙: ① 변수 이름의 첫글자에 올수 있는 것 = 알파벳, Under bar (_)

  ② 두번째 글자부터 = 알파벳, Under bar(_), 숫자를 사용할 수 있다.

- 변수의 크기

기본 자료형(basic types)의 크기
char	1byte
short	2byte
int	4byte

- 변수의 선언

- 변수가 선언된 후 메모리 내부

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⊙ 진법이란?

- 진법이란 수를 표현하기 위해 사용되는 숫자의 개수

 ⑴ 10진법(Decimal) : 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 총 10개의 숫자를 사용하며 보편적으로 사람들이 많이

                         사용하는 진법

 ⑵ 8진법(Octa) : 0,1,2,3,4,5,6,7 총 8개의 숫자를 사용하며 3자리 2진법을 숫자 하나로 표현할 수 있다.

 ⑶ 16진법(HexaDecimal) : 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F 총 16개의 숫자를 사용하며 컴퓨터 관련 자료에 많이 사용되며 4자리의 2진법을 숫자 하나로 표현할 수 있다.

 ⑷ 2진법(Binary) : 0,1 총 2개의 숫자를 사용하며 컴퓨터가 사용하는 진법이다. 

- 진법 변환 빠르게 하기

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⊙ 컴퓨터가 숫자를 기억하는 방법

 1. 정수의 기억 방법

그 후 많은 연구결과 컴퓨터의 정수 표현방식이 결정 되었다.

8bit로 표현 가능한 수인 0~255를 반으로 뚝 자르고 128~255 구간을 양의 정수 0의 뒤쪽에 붙인다

0~127은 양의 정수

255를 -1로 하고 -128까지 음의 정수로 표현하도록 하였다.

하지만 이렇게 역순으로 되어있어 사용자 입장에서는 값을 계산하기가 까다로웠다.

그래서 나온 것이 2의 보수라는 것이다.

2. 2의 보수

 - 보수란 보충해주는 수이다. 

 - A에 대한 N의 보수는 A에 어떤수 X를 더해주었을 때(보충해주었을 때)

   A+X=N이 된다면 A에 대한 N의 보수는 X라고 할 수 있다.  

N에 대한 n의 보수는 N에 대한 (n-1)의 보수보다 항상 1이 크다는 것을 알 수 있다.

2진수에서는 1의보수는 대상 수가 1이면 0, 0이면 1이 된다.

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⊙C 프로그래밍을 통하여 2의 보수 확인하기

#include <stdio.h>

int main()
{
  char  test0;     //8bit(2의8승)   정수(0~255)
  short test1;     //16bit(2의16승) 정수(0~65535)
  int   test2;     //32bit(2의32승) 정수(0~4294967295)
  

  //각 양의 정수 최대값 확인
  test0 = 127;
  test1 = 32767;
  test2 = 2147483647;

  printf("%d\n",test0);
  printf("%d\n",test1);
  printf("%d\n",test2);
  printf("\n");

  test0 = 128;
  test1 = 32768;
  test2 = 2147483648;

  printf("%d\n",test0);
  printf("%d\n",test1);
  printf("%d\n",test2);
  printf("\n");

  test0 = 255;
  test1 = 65535;
  test2 = 4294967295;

  printf("%d\n",test0);
  printf("%d\n",test1);
  printf("%d\n",test2);
  printf("\n");


  return 0;
}

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⊙ 커패시터(Capacitor)와 인덕터(Inductor)

1.커패시터란

 - 두 개의 금속판 사이에 절연 재료로 만들어진 유전체를 샌드위치 처럼 끼워놓은 회로 소자. 

 - 커패시터는 콘덴서(condenser)라 부르기도 하며, 회로에서는 전하를 저장하는 역할을 한다.

<여러가지 커패시터의 기호(symbol)>

<여러 종류의 커패시터의 실물>

2.커패시터의 원리

 

<커패시터의 원리를 설명한 그림>

⊙ 커패시터란 전기를 저정할 수 있는 장치, 우리말로는 “축전기”라고 한다.

     커패시터는 기본적으로는 2장의 전극판을 대향시킨 구조로 되어 있고, 여기에 직류전압을 걸면, 각 전극에 전하라고 하는 전기가 축적되며, 축적하고 있는 도중에는 전류가 흐르고, 축적된 상태에서는 전류는 흐르지 않게 된다.

◎ 만약 1uF정도의 전해커패시터에서 “아날로드 테스터기”를 저항 측정 모드로 전환하고 접속을 하면 순간 전류가 흘러 테스터의 바늘이 움직이는 것을 알 수 있다.그러나 바로 바늘은 0으로 되게된다,

    또한  테스터의 접속 방법을 반대해도 역시 순간 전류가 흐른다는것을 알 수 있다. 

    그러므로 직류 전압이 커패시터에 가해진 경우, 순간적으로 전류가 흐르지만 후에는 흐르지 않기 때문에 직류를 통과시키지 않으려는용도에서 사용되게 된다.

◎ 그러나 교류의 경우에는 +,ㅡ가 계속해서 바뀜에 딸 앞서 언급한 테스터의 측정봉을 항상 교대로 바꾸어 접속하는 것과 같으므로 그 때마다 전류가 흐르게 되어, 교류전류가 흐르는 것이다.
    두 극판의 전극간에 절연체를 넣어 커패시터를 만드는데, 이 재질에 따라 여러 종류의 커패시터가 있다.

◎ 일반적으로는 커패시터자체에 마이너스측 리드를 표시하는 마크가 붙어 있고, 가할 수 있는 전압 용량(전기를 축적할 수 있는 양)도 포시되어 있다.

   극성을 잘못 접속하거나 전압이 너무 높으면 커패시터가 파열되니 꼭 확인하고 접지한다.(통상, 회로에도 +극성을 표시한다.)

   커패시터는 1uF부터 수 천uF, 수만uF까지 다양한 용량이 얻어지며, 주로 전원이 평활 회로, 저주파 바이패스(저주파 성분들 접지) 등에 사용된다.

3.커패시터의 종류

 ① 알루미늄 커패시터

-유전체로 얇은 산화막을 사용

-전극으로는 알루미늄을 사용

-유전체를 매우 얇게 할 수 있어, 커패시터의 체적의 비해 큰 용량을 얻을 수 있다.

-극성이 있다

-주파수 특성이 나쁘다. 그 이유는 코일 성분이 많아 고주파에는 적합하지 않기 때문입니다.

<알루미늄 커패시터>

 ② 탄탈 커패시터

-전극에 탄탈륨이라는 재료를 사용

-비교적 큰 용량을 얻을 수 있고, 온도 특성(온도의 변화에 따라 용량이 변화는 특성), 주파수 특성 모두 알루미늄 전해 커패시터보다 우수

-탄탈 전해 커패시터의 경우에는 탄탈륨 파우더(tantalum powder)를 소결하여 굳었을 때에 나오는 빈틈을 이용하는 구조로 되어있어

 두루마리 구조가 아니므로 알루미늄 전해 커패시터보다 특성이 우수

-탄탈륨 커패시터는 극성이 있어, 통상 커패시터 자체에 +의 기호로 전극을 표시하고 있으므로 절대로 극성을 잘 못 접속해서는 안된다. 

-탄탈륨 커패시터는 온도에 의한 용량 변화가 엄격한 회로, 어느정도 주파수가 높은 회로등에 사용

<탄탈 커패시터>

③ 세라믹 커패시터

   -전극간의 유전체로 티탄산 바륨(Titanium-Barium)과 같은 유전율이 큰 재료가 사용

   -인덕턴스(코일의 성질)가 적어 고주파 특성이 양호

   -고주파의 바이패스에 사용

  

<세라믹 커패시터>

4.커패시터 용량 읽는법

 

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1. 인덕터란?

  코일이란 동선과 같은 선재를 나선 모양으로 감은 것

  회로기호는 로 표시 하며, 단위로 헨리[H]가 사용

  선재를 많이 감을수록 코일의 성질이 강해지며 헨리의 값도 커진다.
  코일은 내부에 아무것도 넣지 않은 공심으로 하는 것보다 철심에 감거나 코어라 부르는 철분말을 압축, 응고시킨 것에 감는 편이 보다 큰 헨리값이 얻어짐.

  코일은 인덕턴스라고 하는 특성을 가지고 있는데 상호 인덕턴스(Mutual Inductance)와 자기인덕턴스(Self Inductance)가 있다

  상호 인덕턴스 :  전류가 흐르는 코일에 다른 코일을 가까이 했을 경우, 상호유도작용 (Mutual Induction)에 의해, 접근시킨 코일에 교류 전압이 발생하는 특성
                  이 상호유도작용의 정도를 상호 인덕턴스(단위는 헨리:H)라고 표현 
                  [H]의 기준은 어떤 코일에 매초 1A의 비율(1A/s)로 전류가 변화할 때, 다른 쪽의 코일에 1V의 기전력을 유도하는 두 코일간의 상호 인덕턴스를 1헨리(H)로 정의한다.

  자기 인덕턴스 : 코일이 하나만 있는 경우에도 자신이 발생하는 자속의 변화가 자신에게 영향을 주게 되는데 이것을 자기유도작용이라고 하며, 그 정도를 자기 인덕턴스 (Self Inductance)라 한다.

  자기 인덕턴스의 경우는 전류의 변화율이 1A/s일 때 1V의 기전력을 발생하는 경우의 자기 인덕턴스를 1H로 정하고 있다.

2. 인덕터의 성질

1) 전류의 변화를 안정시키려고 하는 성질이 있다

   코일은 코일내의 전류의 변화를 억제하려는 특성을 가지고 있다.

   전류가 흐를려고 하면 코일은 전류를 흘리지 않으려고 하며, 전류가 감소하면 계속 흘릴려고 한다.

2) 상호 유도 작용을 한다.

  변압기(transformer)에 사욛되는 원리는 코일의 상호유도작용을 이용한 것

   즉 두 코일을 가까이 하면 한쪽 코일의 전력을 다른 쪽 코일에 전달할 수 있다.

3) 전자석의 성질이 있다.

   코일에 전류를 흘리면 자석이 됩니다. 

4) 공진을 하는 성질이 있습니다.

  

  코일과 콘덴서로 회로를 구성하면, 특정 주파수의 교류 전류가 흐르지 않게 되거나, 흐르기 쉽게 되거나 한다.

<여러가지 인덕터의 모습들>

3.단위계에서 메가(M),키로(k),미리(m),마이크로(u),나노(n),피코(p)의 관계

계수  단위	×106	×103	1(기준)	×10-3	×10-6	×10-9	×10-12
전압(V)	-	kV	V	mV	μV	-	-
전류(A)	-	kA	A	mA	μA	nA	-
저항(Ω)	MΩ	kΩ	Ω	mΩ	-	-	-
코일(H)	-	-	H	mH	μH	-	-