Computer System Architecture

1
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????? Computer System Architecture ???????? ?
? ? hykim_at_tu.ac.kr
2
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• ? ?
• ?????
• ??????
• ??? ????

3
? ?

• ?? ??? ?? ??
• ?? ??? ?? ??? ???? ??? ?? ?? ?? ??? ???? ??
• ?????(Main Memory) ?? ???? ??? ??, CPU? ?? ??
  ??
• CPU ? I/O ????? ?? ?? (RAM)
• ??????(Auxiliary Memory) ?? ???? ?? ??? ?? ??
  ?? ??
• backup storage (Disk Drives )
• ?? ???(Cache Memory) ????? ??? ?? ??? ?? ??? ??
• ?? ?? ??? ?? ?? ??? (Cache RAM)
• ?? ???? ??? ? ??, ??, ??

????? ????? 1 7 ????? ??????
1 1,000
??(High)
1000
7
1
??(High), ??(Low)
4
? ?

• ?? ??? ?? ??
• ??? ?? ???(Memory Management System)
• ???? ?? ?? ??? ????? ??? ?? ??? ??
• ?? ??? ??? ?? ?? ??
• ?? ??? ??
• - ?????? CPU ??? ?? ?? ??
• - ?? ???? ????? ?? ??? ??
• ?? ?? ??
• - ??????? ????? ??? ?? ?? ??(DMA)
• - CPU? ?? ???? ?? ?? ????? ???? ???
• ?? ??
• ?? ?? ???(Direct Access Memory)
• - ????? ??? ???? ?? ?? ???? ??? ??? ??
• - RAM, ROM HDD, FDD

5
? ?

• ?? ??(access time)
• ????? ???? ??? ??? ???? ????
• ???? ??? ???? ?? ??? ??, ?? ??? ??
• ?? ??? ?? ???
• ?? ?? ???? ?? ?? ?? ??
• ??? ??(cycle time)
• ? ?? ??? ??? ???? ?? ? ??? ?? ???? ??? ??
• ?? ???
• ??? ?? ?? ?? ?? ??
• ??? ???
• ??? ?? ?? ??
• ??? ??? ?? ?? ??? ??

??? ?? ?? ??
6
? ?

• ??? ??? (data transfer rate)
• ?? ???? ???(?? ?, ?? ?)
• ?? ???(band width)
• W ? ?? ???? ???? ?? ?
• ? ?? ????? ??? ??? 0.5µs?? ??? ?? ??
• 32???? ?????
• Band Width 32 / 0.5µs 8MB/s
• ?? ??? ??? ??
• ?? ???? ?? ???
• ?? ???(static memory) ?? ???? ? ?? ??, ????,
  ??/??? ??
• ?? ???(dynamic memory) ?? ??? ??(refresh),
  ????? ??, ???? ??
• ??? ???? ???? ???

(bit/sec)
Band Width W / Cycle time
???? ?? ??
7
???(Access) ??? ?? ???? ??

• ?? ??? ???( Direct Access Memory )
• ???? ??? ???? ?? ??? ??? ???? ??
• ????? ??? ???? ?? ?? ???? ??? ??? ??
• ROM, RAM, HDD, FDD

8
???(Access) ??? ?? ???? ??

• ?? ??? ???( Sequential Access Memory )
• ??? ????? ????? ???? ??
• ???? ??? ??? ???? ????? ??
• ?(Queue) ??? FIFO ( First In First Out) ???
• ?? ?? LIFO (Last in First Out ) ???

9
?????

• ??? ?? ????
• ???? ??
• ?? ??
• ????
• ???? ???
• ???
• ????
• ??? (byte)
• ?? (Word)

10
?????

• ?? ?? ? ??(CS Chip Select) ??, ??(RD) ??,
  ??(WR) ??
• ?? ?? ?? ?? ???? ????? ??? ??? ??? ?? ??? ???
  ?? ??
• 
  ?? ?? ??? ?? ?? ???,
• 
  ????? ????? ??? ???? ?? ? ??? ???
• ??? ?? ?? RAM, ROM

(a) '1'? ??
(b) 0'? ??
- ? ??? ??? - ????? ??? ???? - ???? ??, ?? ?? -
????? ?? - ???? ???? ?????
11
?????

• RAM

??? ?? ??? ?? ??? ?? ?? ??? ?????? ???? ??

• ??(word) ? ? ???? ?? ? ?? ??
• ????? RAM, ??? ROM?? ??
• ROM ?? ??? ?? ??? ?

Fig. 5-3
??
00
(a)???
1
0/1
(4x3 IC RAM)
(b)RAM? ???
12
?????

• ??? ??
• MAR, MBR, ?? ??(RD, WR, CS)

?? ??
1. ????? ??? ?? ?? MAR? ???. 2. ? ????(CS)?
??(RD) ??? ?????.
?? ??
1. ????? ?? ??? ?? ?? MAR? ???. 2. ???? ??? ????
MBR? ???. 3. ? ????(CS)? ??(WR) ??? ?????.
13
?????

• ROM
• ???? ???
• ??? ??? ??? ???? ??
• ?? ?? ?? ???
• ??? ?????? ???? ??
• ??
• Mask ROM
• ?????? ????? ??? ??? ??
• ?? ???? ??
• PROM (Programmable ROM)
• ???? ??? ??
• ? ?? ???? ?? ??
• EPROM (Erasable PROM)
• ???? ??? ??? ?? ???? ? ? ?? ROM
• ??? ??? ??

14
?????
?? ???? ???? ????? ? ? ??? ??? ?? ??? ?? ??? ???
??. ??? ???? ?? ????? ???? ??? ????? ??

• ROM

Bootstrap Loader Bootstrap ROM Boot ROM

• ?? ??? RAM ?? ? ?? ??? ??
• 32 X 4 ROM ?? ?

32 X 4 ROM
15
?????

• CPU?? ??? ??
• ??? ?? ?(memory address map) Tab. 5-1
• ??? ??
• 1 x 512byte ROM 4 x 128bytes RAM
• ? ?? ??? ??? ??
• CPU?? ??

??/??? ???
1

• Address line 9 8
• RAM 1 0 0 0000 - 007F
• RAM 2 0 1 0080 - 00FF
• RAM 3 1 0 0100 - 017F
• RAM 4 1 1 0180 - 01FF
• Address line 10
• ROM 1 0200 - 03FF

0
0
0

• 2 x 4 Decoder RAM select (CS1)
• Address line 10 (RAM or ROM select)
• RAM select CS2
• ROM select CS2 ? Invert
• RAM ? ??? ????? ??? ??
• ROM ? ?? ???

0
1
16
???? ??

• ?? ??? ??? ?? ? ?????? ??? ?? ??
• ??? ??? ??? ??, ?????? ?? ??
• ?? ?? ??
• ?? ??? ??
• ???? ?????? ??
• ??? ????
• ?? ?? ?? ??
• ?? ??? ????? ???? ???? ??? ???? ??
• ?????
• ?? ?? ?? ??
• ?? ? ????? ?? ? ?? ??? ???? ???? ??
• ?? ??? ??? ??? ??
• ?????, ?? ??
• ??
• ?? ???
• ?? ??
• ?? ???
• CD-ROM

17
???? ??

• ?????
• ??
• ???? ?? ??
• ??, ??? ??
• ????? ?? ? ??? ??
• ?? ??? ??
• ??
• ?? ?????? ?? ????? ???.
• ?? ?? ? ??? ???? ??.

• ???? ???? ?? ??? ??? ?? ?? ??
• ?? 800, 1200, 1600, 2400??
• ???? ?? ?? ??
• ? ???(Unblocking)
• ????? ??? ??
• ???(Blocking)
• ????? ??? ??

????? ??? ??? ???? ?? ???
????? ??? ??? ??? ?/???? ???
18
??????

• ?? ??? (?? ?? ????)
• ?? ????? ???? ??? ????? ?? ??? ???? ???? ????
  ??????
• ?? (block) ??? ??? ??? ? ?? ??? ??
• ??????? ??? ??? ??? ? ?? ???? ??? ?? ??? ??? ???
  ???? ??

• ?? ?? ??? (moving head disk)
• ? ??? ???? ??? read-write ??? ??? ??? access arm
  ? ??? ??? ??? ?? (floppy disk)

? ???
??? ???? ????? ??

• ?? ?? ??? (fixed head disk)
• ? ??? ??? ???? ??? read-write ??? ??? ?? (Hard
  disk)

• ?? ?? ??? ? ?? ??
• ???? (seek time)
• ?? ?? ?? (rotational delay time)
• ?? ?? (data transfer time)

????? ??? ??
19
???? ??

• ?? ???
• ????
• ?? 512??? ??

20
???? ??

• CD-ROM(Compact Disk Read Only Memory)
• ?? ?? ??? ???
• 550 680MB? ????
• ?? ? 2048 ??? ??

21
??????

• ?? ??? (?? ?? ????)
• ???? ??? ?? ?? ??? ???? ??? ?(reel) ? ??? ??
• ????? 1??? ??? ? ?? ??? ??? ? BPI (Byte Per Inch)
  ? ??
• read-write ??? ???? ????? ???? ??? ? ??? ? ??? ?
  ?? ??

IRG(Inter Record Gap) ??? ??? ???? ???? ????
??? ? ??? ??
????? ????
IBG(Inter Block Gap) ??? ?? ??? ??? ??? ??
IRG ??? ?? ?? ?? ???? ??? ??? ??? ????
??(Block)?? ??? ?? ??? ????? ?? ??

• ?? ???? ?? ??

?? ??? ? ???? ???? ??? ?? ?? ???? ???
???? ? ?? ??? ?? ??? ?? ??/(IRG 1?? ???
??/ ????(BPI) ??? ? ???? ??? ???? ? ?? ???
?? ??? ?? ??/(IRG 1?? ??? ?? x ???/ ????(BPI)
22
??? ????

• ???? ???? (Interleaving Memory)
• ???? ?? ?? ?????? ???? ?? ??? ??
• ??? ??
• ?????? ????? ? ?? ?? ??? ?? ??
• Fig 5-12 ??? ?? ????? MAR ? MBR ? ??? ?
• N?? ???? ? n? ????? ??? ????
• ?? ?? ??? ??
• Fig 5-13 ???? (interleaving) ????
• ?? ?? ??? ??? ?? ??
• ??? ??? ??? ??
• ? ?? ??? ?? n ?? ?? ??
• ?? ?? ?? ??
• ????? ?? ?? ???
• ???? ??? ????
• ??? ??? ???? ??
• (??? ??)

???? ??
3-?? ????
23
??? ????

• ?? ???? (Associative Memory)
• Content Addressable Memory (CAM)
• ??? ??? ?? ??? ? ?? ????
• M(??) x n(??) ??? ??? ??
• ? ??? ?? ??? ?? ??? ??, ?? / ?? ??
• Key ????? 1? ??? ?? ? read ??

????? ?? ??? ??
n
??
??
?? ???? ?? ???? A ? ?? ??? ?? ???? ??
n
Argument
A Register 101 11110 K Register 111 00000
?? 1 101 00100 M1 1 ?? 2 111
11011 M2 0 ?? 3 010 01101 M3 0
?? m 100 00001
Mm 0
Key (Mask)
Key ????? ?? 1? A? M? ??(?3??)
Match Logic
??? ??
M 1 ? ? ??
24
??? ????

• ?? ???
• ??? ?? ?? ??????? ??? ??? ??? ????? ????
• 50100ns ?? ??? ??? ???? ????? ??? ???? ??? ??
• ??? ??? ?? ?? ???? ??? ??? ?? ?? ??? ??
• cache size ?? 256 K byte (?? 512 K byte)

• ???(Hit Ratio)
• Hit ? / ??? ????
• ??(hit) CPU ? ??? ???? ??(word)? ??? ? (
  0.95-0.99 ??)
• ??(miss) ??? ?? ??? ??? ?? ? ? ??????? ??

25
??? ????

• ?? (mapping) ??????? ?? ???? ???? ???? ?
• ?? ?? (Associative mapping) ?? ??? ??? ?? ?? ??

• ?????? ??? ???? ?? ???? ??
• ?? ?? ?? ???? ?? ????? ???
• ??? ?? ?? ???? ???? 12???
• ???? ?? ??????? ??
• ???? ?? ??? ? ??? ???????
• ??? ??? ???? ???? ?? ????
• ??
• ??? ? ? ??? ?? ?? ?? ?? ???
• ??? ? ?? ?? ?? ??? ??? ???
• ??? ?? ?? ??? ??

4??? 8??? ???12??
5??? 8??? ???15??
26
??? ????
k bit ? ??? ??? n k bit ? ?? ??? ??

• ?? ?? (direct mapping)
• ??? ?? RAM ? ?? ???? ???? ?? ??? ??
• ?????? 2n ??, ?? ???? 2k ??? ?? ?? n ??? ???
• ????? ?? (15bit) ??? ??(9bit) ?? ??(6bit)

??????? ??? ??? ???? ?? ???? ???? ?? ??? ??
??(6bit) 00 63
215
???(9bit) 000 511

• ?? ?? ?? ??
• ?? CPU? ?? ??? ?? ?????? ?? ?? ??? ???? ??? ??
• ?? ??? ??? ??????? ?? ??? ??? ??? ??? ??
• ?? ??? ???? ?? ?? ??? ??? ??? ???? ?? ? ??? ??

27
??? ????

• ?? ?? ????? ?

• 02777 ??? ?? ??
• 1) ?? ??? 777 ? ???? ???.
• 2) ??? ??(Tag)? ???? ????.
• 3) 777 ???? ?? ?? ??? 00 ??.
• (?????? ?? 02? ???)
• 4) miss
• 5) ?????? ???? ??? ??? ??? 4850 ? ??????? ???.
• (address 02777 4850 read)
• 6) ??? ???? ?? 777 ? ?? ??? ???? ?? 02? 4850 ?
  ???? ??

28
??? ????

• 8??? ?? ??? ??? ?? ?? ?? ?
• 1?? ??? 8?? ??? ??? 8?? ??? ?? ?? ?? ?? ??
• ??? ??? ? ??? ???? ?? ???? ???? ??? ??? ??? ???
  ???? ?? ?
• miss? ? 8? ?? ? ??? ??????? ?? ???? ??

8?? word ? 1?? block ??? ??

• 64 block x 8 word 512 cache words size
• (?? ?? 6bit, ?? ?? ?? 3bit)

29
??? ????

• ?? ?? ?? (Set-associative mapping)
• ?? ???? ?? ???? ?? ??? ???? ??? ??
• ( ?? 02777, 01777 )
• ??? ? ??? ?? ???? ??? ?? ?? ??? ? ? ??? ??? ???
  ?? (?? ??) ? ?? ??? ?? ??
• set? ??? ????? ??? ??
• set ? ??? ?? ???? ????? ? ?? ?? ?? ??? ??? ????
  ??

6 bit
6 bit
12 bit
12 bit
9 bit
? ?? ?? ??? ?? ?? ?? ?? ??
30
??? ????

• ??? ?? (Writing to Cache) ? ?? ???(Cache
  Coherence) ??
• ??? ?? ??? ???(WRITE) ??, ??? ??(block)? ???? ??
  ?????? ??? ??(update) ?? ?

Main memory ? Cache memory? ??? ???? ? ???(???)
??
Write-through Cache write? ??? ??????? ??,
??? ??? ??? ?? ??? ????
?? Write-back ?? ?? ???? ??? ??? ???? ???
??? ??? ?? ?? ??? ? ?????? ???? ??, CPU?
????? ???? ???? ?? ???? ?? ?? ? ? ?? ?
??? ??? ???? ?? ??? ???

• ?? ???? (Replacement Algorithm)
• ??? ? ? ?? ???? CPU ? ?? ???? ???? ??? ???
  ??? ?? ?? ??? ?? ???? ?? ? ??? ???? ????? ??? ???
  ??? ??? ???? ??
• FIFO (First-In First-Out) ?? ??? block ??
• LRU (Least Recently Used) ??? ?? ?? ??? block
  ??
• LFU (Least Frequently Used) ?? ??? ?? ?? block
  ??

31
??? ????

• ?? ????(Virtual Memory)
• ?? ???? ??? ?? ??? ? ??????? ?? ?????? ?? ??
• ??????? ??? ????? ?????? ??
• ??????? ?? ???? ?? ??? ?????? ?? ??? ???? ?? ???
  ??
• ?? ??? ??? ??(Address Space Memory Space)
• ?? ??(Address Space) ?????? ?? ??? ??
  ??(Virtual Address)? ??
• ??? ??(Memory Space) ??? ??? ??? ??(Physical
  Address)? ??
• ??

• ??????
• ?? ??(N) 1024 K 220
• ?????
• ??? ??(M) 32 K 215
• CPU? 20??? ??? ????
• ???? ?? ? ?? ???
• ?????? ?? ??? ??
• ?? ??? ???

32
??? ????

• ??? ???
• ???? ??? ?? ?????? ??? ??
• ?? ??? ?? ??? ??? ? ???? ??? ??
• 20??? ?? ??? 15??? ?? ??? ??

33
??? ????

• ?? ??
• ???? ?? ?? ?? ??? ??? ??? ?? ??? ??
• ?? ?? 1K page ? ??
• ??? ?? 1K block?? ??
• ?? ??? 4? page? ??? ???? block?? ??
• ?? ??? ?? ?? ??? ??? ?? ??(10??)

34
??? ????

• ???? ?? ???? ??? ???

???? 8?? ??? ??
? ??? ??? ??? ? ??? ??? ?? ?
1
2
5
6
35
??? ????

• ?? ????? ??? ??? ???
• ??? ???? ??? ?? ?????? ??? ?? ?? ?
• ? ??? ???? ????? ??

Fig. 5-25
36
??? ????

• ????? ?? ?? - ???? ????? ??? ???? ???? ??
• ??? ?? ??? ???? ??? ??????? ????? ??? ?? ??? ???
  ?? ? ????? ???? ??? ?? ??
• ???? ????? ?? ? ??? ???
• ????? ?? ?????? ????? ?? ??
• ???? ???? ?? ????? ??
• (1) ?????/????? ?? ????? ???????
• (2) ?? ???? ??? ? ????? ????
• ?? ?? ????? ? ????? ?? ???? ??
• ?? ????? ?? ???? ?? 2?? ?(????, ???)

37
??? ????

• ??? ?? ???? (Page(Block) Replacement)
• ??? ??(Page Fault) CPU ? ?? ????? ?? ????
• 
  ?????? ?? ??
• ??? ???? ???????? ?????? ??? ? ??? ??? ? ? ???
  ??? ???? ???? ? ? ?? ????
• ?? ????(Replacement algorithm) FIFO (First-In
  First Out) ? LRU (Least Recently Used) ? ?? ??