전자 회로의 조합 논리

😊 본 글은 한 권으로 읽는 컴퓨터 구조 책을 읽고 정리했습니다.

 

아날로그와 디지털의 차이

1에서 10까지 있는 자와 열 손가락을 예시로 들 수 있다.

 

동일하게 1부터 10까지를 표현할 수 있으나 손가락으로 아무리 열심히 표현해도 3.141592...를 표현할 수는 없을 것이다.

그에 비하여 자에는 어딘가에든 3.141592...이 존재할 것이다. 자는 연속적이기 때문이다.

자는 분명히 연속적이다.

연속적이라는 말은 실수를 표현할 수 있다는 뜻으로도 볼 수 있다. 1,2,3과 같이 자연수는 물론 3.141592...와 같이 무한한 수라도 연속적인 자 위에 어딘가에는 존재할 것이기 때문이다.

 

반면 제한적으로 표현할 수 있는 손가락은 이산적이라고 부르며 정수만 표현할 수 있다. 각 각의 값들 사이에는 다른 무수한 수들이 존재하지 않는다.

 

이러한 표현을 전자 기술에서는 연속적 -> 아날로그 / 이산적 -> 디지털이라고 표현한다.

 

디지털이 널리 사용되는 이유

속도와 효율 등 다양한 장점으로 인하여 하드웨어는 점점 작아지는 것을 지향하며 발전해왔다.

하지만, 하드웨어를 작게 만들면 장점만 있는 것은 아니었다. 물체가 작아지고 가까워지면서 서로 간섭하기가 아주 쉬워진 것이다.

이것을 누화 효과라고 부른다.

 

이러한 문제점을 해결하기 위하여 각 값 사이에 범위가 존재하는 디지털을 사용하여 다른 간섭에 의하여 다른 값을 출력하기 어렵게 만들었다. 이를 잡음 내성을 가진다고 지칭한다.

 

비슷한 이유로 2진수(비트)를 사용한다. 0과 1, 두 가지로만 나누어지면 0 - 9까지를 구분하는 것보다 효율적으로 쉽게 구분할 수 있기 때문이다.

 

비트를 처리하기 위한 하드웨어

릴레이

전기와 자기 사이에는 편리한 관계가 있다. 선을 감아서 코일로 만들고 전기를 흘려보내면 코일이 전자석이 되며 자기를 얻는다.

이는 끄고 켤 수 있는 특성을 가지는데, 이런 특성을 이용하여 만들어진 것이 릴레이다.

 

릴레이는 스위치를 움직이기 위하여 전자석을 사용하는 장치다. 자성을 얻으며 스위치가 열리고 닫힌다.

 

하지만 릴레이는 느리고 전기를 많이 소모하며, 먼지 / 벌레가 접점에 있다면 정상적으로 작동하지 않는다.

미국 컴퓨터과학자가 오류를 추적하다가 릴레이에 낀 나방을 발견하면서 버그(BUG)라는 단어가 유명해졌다는 일화가 있다.

 

진공관

위의 릴레이의 단점 때문에 릴레이와 비슷한 일을 하지만, 기계적인 부품이 들어있지 않은 다른 물건을 찾기 시작했다.

 

그래서 제안된 새로운 요소는 물체를 충분히 가열하면 전자가 튀어나오는 열전자 방출을 기반으로 하는 진공관이다.

 

이 또한 치명적인 단점이 있었는데, 전구와 마찬가지로 굉장히 뜨거우며 깨지기 쉽다는 점이다.

또한 필라멘트가 타버리듯 진공관을 가열해주는 히터 또한 타버릴 수 있다는 단점도 존재한다.

 

트랜지스터

전송 저항(Transfer resistor)이란 말을 줄인 트랜지스터(Transistor)가 이러한 문제를 많이 개선하였다.

진공관과 비슷하지만, 반도체라는 특별한 물질을 사용하여 히터나 기계적인 부분이 없는 전기 밸브이다.

 

트랜지스터 또한 완벽하지 않은데, 도체가 가늘고 얇아지면 저항이 늘어나고 열이 발생한다는 점이다.

도체는 쉽게 녹기 때문에 이런 문제를 잘 해결하는 것이 중요하다.

 

집적회로

집적회로는 트랜지스터 하나 정도의 비용으로 복잡한 시스템을 구성하게 해 준다.

생긴 모양 때문에 칩이라고 불린다.

 

논리 게이트를 활용한 복잡한 회로

가산기

두 비트를 더할 때, 최소한의 게이트로 연산하는 반가산기

다른 자리에서 올라오는 올림을 함께 효율적으로 처리하기 위한 전가산기

여러 개의 전가산기를 사용하여 자리올림이 아래에서 위로 물결이 퍼져나가는 것처럼 전달되는 리플 자리올림 가산기

큰 비트 가산기에서 지연시간을 제거하기 위한 올림 예측 가산기

 

등등이 있다.

 

디코더

디코더는 인코딩의 반대로 수를 개별 비트의 집합으로 만들어준다.

 

대표적으로 8진수를 비트의 집합으로 돌려주는 3:8 디코더가 있다.

디멀티플렉서

디코더를 이용하여 디멀티플렉서를 만들 수 있다.

디멀티플렉서는 입력을 몇 가지 출력 중 한 곳으로 전달하는 기능을 한다.

입력을 S0 / S1에 따라서 네 가지 출력 0 1 2 3 중 하나로 전달한다.

 

실렉터 / 멀티플렉서

하나의 입력을 여러 출력 중 하나를 선택하는 것이 있다면 이것의 반대도 있을 것이다.

여러 개의 입력 중 하나를 선택하는 회로를 멀티플렉서라고 한다.

모양은 위의 디멀티플렉서를 뒤집은 모양에 가깝다.

입력 X0 / X1 / X2 / X3 중 C0 / C1에 따라서 하나를 선정하여 출력 M으로 보내준다.