전자 회로의 조합 논리
컴퓨터는 어떤 논리로 비트를 다루는가
1. 디지털 컴퓨터의 사례
- 디지털 컴퓨터는 비트라는 이진수로 정보를 표현하고 처리하는 컴퓨터입니다.
- 비트는 0과 1 두 가지 값만 가질 수 있으며, 이는 전기적으로 ON과 OFF로 구분할 수 있습니다.
- 디지털 컴퓨터는 아날로그 컴퓨터와 달리 연속적인 값을 표현할 수 없습니다. 예를 들어, 계산자는 로그 곱셈 공식을 이용해 실수값을 표현할 수 있지만, 디지털 컴퓨터는 실수값을 정수값과 소수점의 위치로 나누어 표현해야 합니다.
1-1. 아날로그와 디지털의 차이
- 아날로그는 연속적인 값을 표현할 수 있는 방식입니다. 예를 들어, 온도계나 속도계는 아날로그 방식으로 작동합니다.
- 디지털은 이산적인 값을 표현할 수 있는 방식입니다. 예를 들어, 시계나 계산기는 디지털 방식으로 작동합니다.
- 아날로그는 무한한 정밀도를 가질 수 있지만, 잡음에 취약하고 표현 범위가 제한됩니다.
- 디지털은 유한한 정밀도를 가지지만, 잡음에 강하고 표현 범위가 넓습니다.
1-2. 하드웨어에서 크기가 중요한 이유
- 하드웨어에서 크기가 중요한 이유는 전자가 이동하는 데 걸리는 시간과 에너지를 줄이기 위해서입니다.
- 전자가 이동하는 데 걸리는 시간은 빛의 속도로 제한되므로, 하드웨어의 크기를 줄이면 전자가 이동하는 거리를 줄일 수 있습니다.
- 전자가 이동하는 거리를 줄이면, 전력 소모와 열 발생도 줄일 수 있습니다.
- 따라서 하드웨어의 크기를 줄이면, 계산 속도와 효율을 높일 수 있습니다.
1-3. 디지털의 안정성
- 디지털은 판정 기준이라는 문턱값을 사용하여 비트를 구분합니다. 예를 들어, 0V보다 작은 전압은 0으로, 5V보다 큰 전압은 1로 인식합니다.
- 판정 기준을 사용하면, 잡음이나 간섭으로 인해 전압이 약간 변화해도 비트 값이 바뀌지 않습니다. 이를 잡음 내성이라고 합니다.
- 잡음 내성을 높이기 위해, 이력 현상이나 차동 신호와 같은 방법을 사용할 수 있습니다.
- 이력 현상은 입력이 변화할 때 출력이 즉시 반응하지 않고, 일정한 범위 내에서는 변화하지 않는 현상입니다. 이를 통해 잡음으로 인한 글리치를 방지할 수 있습니다.
- 차동 신호는 서로 반대되는 두 개의 신호의 차이를 측정하여 전송하는 방법입니다. 이를 통해 잡음이 동일하게 영향을 주더라도 신호의 차이는 유지될 수 있습니다.
1-4. 아날로그의 디지털 변환
- 아날로그의 디지털 변환은 연속적인 값을 이산적인 값으로 바꾸는 과정입니다.
- 아날로그의 디지털 변환을 위해, 샘플링과 양자화라는 두 가지 단계를 거칩니다.
- 샘플링은 연속적인 신호를 일정한 간격으로 측정하는 과정입니다. 샘플링 주파수는 샘플링을 수행하는 횟수를 의미합니다.
- 양자화는 샘플링된 값을 미리 정해진 구간으로 나누고, 각 구간의 대표값으로 근사하는 과정입니다. 양자화 레벨은 구간의 개수를 의미합니다.
- 아날로그의 디지털 변환은 정보의 손실을 발생시킬 수 있으므로, 샘플링 주파수와 양자화 레벨을 적절히 설정해야 합니다.
2. 간단한 전기이론 가이드
- 전기이론은 전기의 흐름과 특성을 설명하는 이론입니다.
- 전기이론을 이해하기 위해, 전기를 수도 배관과 유사하다고 비유할 수 있습니다.
- 전기의 흐름은 전압과 전류로 표현할 수 있습니다.
2-1. 전기는 수도 배관과 유사하다
- 전기는 수도 배관과 유사하다고 비유할 수 있습니다. 예를 들어, 다음과 같은 비교를 할 수 있습니다.
- 전압은 수도관의 수압과 유사합니다. 전압은 전기의 힘을 나타내며, 단위는 볼트(V)입니다.
- 전류는 수도관의 유량과 유사합니다. 전류는 전기의 양을 나타내며, 단위는 암페어(A)입니다.
- 저항은 수도관의 지름과 유사합니다. 저항은 전기의 흐름을 방해하는 정도를 나타내며, 단위는 옴(Ω)입니다.
- 전압, 전류, 저항 사이에는 오옴의 법칙이라는 관계식이 있습니다. 오옴의 법칙은 다음과 같습니다.
V = IR
- 전압은 전류와 저항의 곱과 같습니다. 즉, 전압이 커지면 전류가 커지거나 저항이 작아지고, 반대로 전압이 작아지면 전류가 작아지거나 저항이 커집니다.
2-2. 전기 스위치
- 전기 스위치는 전기의 흐름을 제어하는 장치입니다.
- 전기 스위치는 ON과 OFF 두 가지 상태를 가질 수 있습니다. ON은 전기가 흐르는 상태이고, OFF는 전기가 흐르지 않는 상태입니다.
- 전기 스위치는 논리회로의 기본 요소로 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 다음과 같은 논리회로를 만들 수 있습니다.
- NOT 회로: 입력이 0이면 출력이 1이고, 입력이 1이면 출력이 0인 회로입니다. 하나의 스위치로 구성할 수 있습니다.
- AND 회로: 두 개의 입력이 모두 1이면 출력이 1이고, 그렇지 않으면 출력이 0인 회로입니다.
3. 비트를 처리하기 위한 하드웨어
- 릴레이
- 릴레이는 전자석과 스위치로 구성된 전기적인 스위치이다.
- 전자석에 전류가 흐르면 스위치가 닫히고, 전류가 끊기면 스위치가 열린다.
- 릴레이는 스위치의 상태를 전기적으로 제어할 수 있으므로, 논리회로를 구성할 수 있다.
- 진공관
- 진공관은 전자를 방출하고 증폭하는 장치이다.
- 진공관은 그리드라는 부분에 전압을 인가하여 전자의 흐름을 제어할 수 있다.
- 진공관은 릴레이보다 더 빠르고 작은 논리회로를 구성할 수 있다.
- 트랜지스터
- 트랜지스터는 반도체 소자로서 전류를 증폭하거나 스위치로 작동하는 장치이다.
- 트랜지스터는 베이스라는 부분에 전류를 인가하여 콜렉터와 에미터 사이의 전류를 제어할 수 있다.
- 트랜지스터는 진공관보다 더 작고 저전력으로 논리회로를 구성할 수 있다.
- 집적회로
- 집적회로는 반도체 칩에 수백만 개의 트랜지스터와 다른 부품을 미세하게 배치한 장치이다.
- 집적회로는 트랜지스터보다 더 작고 빠르고 신뢰성이 높은 논리회로를 구성할 수 있다.
- 집적회로는 CPU, 메모리, 마이크로컨트롤러 등 다양한 컴퓨터 부품을 만들 수 있다.
4. 논리게이트
- 논리게이트는 논리 연산을 수행하는 논리회로의 기본 단위이다.
- 논리게이트는 AND, OR, NOT 등의 기본 논리게이트와 NAND, NOR, XOR 등의 복합 논리게이트로 구분된다.
- 논리게이트는 입력과 출력이 각각 논리 1과 0으로 표현되는 이진수로 작동한다.
- 논리게이트는 트루테이블이라는 방식으로 논리 연산의 결과를 나타낸다.
5. 게이트를 조합한 복잡한 회로
- 게이트를 조합한 복잡한 회로는 여러 개의 논리게이트를 연결하여 더 복잡한 논리 연산을 수행하는 논리회로이다.
- 게이트를 조합한 복잡한 회로에는 반가산기, 전가산기, 디코더, 인코더, 멀티플렉서, 디멀티플렉서 등이 있다.
- 게이트를 조합한 복잡한 회로는 덧셈, 비교, 변환, 선택 등의 기능을 수행할 수 있다.
- 게이트를 조합한 복잡한 회로는 컴퓨터의 산술 논리 장치, 메모리, 입출력 장치 등을 구성하는데 사용된다.
출처
(1) 2장 전자 회로의 조합 논리.
(2) [한 권으로 읽는 컴퓨터 구조와 프로그래밍] 2장: 전자 회로의 ….
(3) 디지털공학개론 9 - 1 조합논리회로의 개요 - Arkeiyou.
(4) 디지털공학개론 9 - 1 조합논리회로의 개요 - Arkeiyou.
(5) 조합논리회로.
(6) 3-2. 컴퓨터에서 활용되는 디지털 논리회로 - 조합 논리회로와 ….