[SoC 구조 및 설계] 04 - 구성요소 + 폰 노이만 Architecture

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1. 폰 노이만 아키텍처 (Von Neumann Architecture)

1. 개요
   • 컴퓨터의 기본 구조로, 프로그램과 데이터를 동일한 메모리에 저장하는 방식
   • 중앙처리장치(CPU), 메모리, 입출력 장치(I/O)로 구성됨
2. 주요 특징
   • 단일 메모리 구조: 명령어와 데이터가 같은 메모리 공간을 공유
   • 순차적 실행 방식: 프로그램 카운터(PC)가 다음 명령어의 주소를 지정하여 순차적으로 실행
   • 병목현상 (Von Neumann Bottleneck): CPU와 메모리 간의 데이터 전송 속도 차이로 인해 성능 저하 발생

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2. 프로세서 (Processor)

1. 클락(Clock) 신호
   • CPU가 내부 회로를 동작시키기 위해 일정한 주기로 발생하는 전기 신호
   • Positive Edge Trigger / Negative Edge Trigger: 클락 신호의 상승 혹은 하강 엣지에서 동작
2. 명령어 실행 과정 (Five Stages Per Instruction)
   • Instruction Fetch (IF): 메모리에서 명령어 가져오기
   • Instruction Decode (ID): 명령어 해석 및 레지스터 값 읽기
   • Execute (EX): 연산 수행
   • Memory (MEM): 메모리 읽기/쓰기
   • Write Back (WB): 결과를 레지스터에 저장
3. Single-Cycle vs. Multi-Cycle Processor
   • Single-Cycle Processor: 모든 명령어가 하나의 클락 사이클 내에서 실행
   • Multi-Cycle Processor: 각 명령어의 단계별로 클락을 나누어 실행하여 효율적인 성능 제공

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3. 파이프라인 (Pipeline)

1. 개념
   • 여러 명령어를 병렬적으로 실행하여 성능 향상
   • CPU 내부에서 서로 다른 단계가 동시에 실행되도록 함
2. 장점과 단점
   • 장점: 처리 속도 증가, CPU 활용도 향상
   • 단점: 데이터 종속성 문제 (Hazard), 파이프라인 정지(Stall) 발생 가능

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4. 메모리 (Memory)

1. DRAM vs. SRAM
   • DRAM (Dynamic RAM): 저비용, 대용량 가능하지만 속도가 느림
   • SRAM (Static RAM): 속도가 빠르지만 비용이 높고 용량이 제한적임
2. 메모리 병목현상 (Memory Bottleneck)
   • CPU와 메모리 간 속도 차이로 인해 성능 저하 발생
   • 해결책: 캐시 메모리 활용, 다중 메모리 계층 구조 적용
3. 메모리 계층 구조 (Memory Hierarchy)
   • 레지스터 → 캐시 메모리 → 주 메모리 → 가상 메모리
   • 고속 메모리(CPU 캐시)를 사용하여 메모리 병목 문제를 완화

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5. 입출력 시스템 (I/O System)

1. I/O 인터페이스
   • CPU와 주변 장치를 연결하는 역할
2. 주요 I/O 기술
   • SPI (Serial Peripheral Interface): 직렬 데이터 전송 방식
   • UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter): 비동기식 직렬 통신 방식
   • CAN (Controller Area Network): 자동차 및 산업용 네트워크
   • USB (Universal Serial Bus): 범용 직렬 버스
   • Wi-Fi: 무선 네트워크 인터페이스

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6. 하드웨어 가속기 (Accelerator)

1. 개념
   • 특정 연산을 빠르게 수행하기 위해 CPU와 별도로 동작하는 하드웨어
   • 예) GPU(Graphics Processing Unit), TPU(Tensor Processing Unit)
2. 활용 예시
   • AI/딥러닝 연산 가속
   • 비디오 처리 및 그래픽 렌더링
   • 암호화/복호화 연산