제 1장 디지털 컴퓨터와 디지털 논리회로

제가 학습하면서 정리한 내용을 정리한 것입니다.

많이 요약을 하지 못하였으니, 1장에서 주로 살펴 봐야 할 내용은 

2. 디지털 시스템의 설계 및 논리회로 파트와 다음글에서 이어지는 4. 집적회로 파트입니다.

오늘 우리는 시스템이란 용어를 자주 사용합니다.

예를 들면 , 컴퓨터 시스템, 검색 시스템, 경제 시스템, 은행 시스템, 교통시스템 등 여러분야에서 사용됩니다.

시스템은 어떻게 정의 될까요?

시스템이란?

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˙ 검은상자형(Black Box) : 입력(input)과 출력(output)이 있는 검은상자형

- 시스템의 입력이 무엇이고 출력이 무엇인지에 대하여 관심을 갖지만 검은상자의 내부구조에 대해서는 큰 의미를 부여하지 않음

˙ 구성요소(Component)의 집합 : 주로 검은 상자 내부에 관하여 규정한 것

- 시스템에 부여된 목적(Goal)을 달성하기 위하여 상호작용(interaction)하는 구성요소(Component)의 집합 

이 내용을 왜 알아야하는가?

대부분의 내용을 시스템의 측면에서 체계적인 접근법으로 이해하기 위해서 알아야한다.

입력과 출력이 무엇인지, 주요 구성요소가 무엇인지, 구성요소 간에는 어떤 상호작용을 하는지, 

결국 어떤 기능(목적)을 수행하는지 등의 시각에서 접근하면 

앞으로 배울 논리회로의 개념과 동작원리를 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

1. 아날로그와 디지털

일반적으로 데이터는 아날로그(analog)방식과 디지털(digital)방식으로 표현 할 수 있다.

아날로그(Analog)방식 - 데이터를 연속적인 값(Continuous Value)으로 표현하는 것이다.

- 현실에서 표현되는 연속적인 값

디지털(Digital)방식 - 데이터를 이산적인 값(Discrete Value)으로 표현하는 것이다.

- 아날로그 데이터를 처음부터 필요한 만큼의 근사치 정도를 정하여 이산적인 값으로 표현한 것

다음은 시간에 따라 변화하는 아날로그 데이터와 디지털 데이터의 파형이다.

                           

(a) 아날로그 데이터 파형                                                                            (b) 디지털 데이터 파형

이론적으로는 유한개의 상태를 정하여 실제 데이터에 근사한 디지털 데이터를 이용 할 수 있으나,

대부분의 디지털 시스템에서 사용되는 디지털 데이터는 두 개의 상태로만 표현되는 2진수로 나타냅니다. (0과 1로 표현)

1-1 아날로그 시스템과 디지털 시스템

입력과 출력이 아날로그 데이터인 시스템을 가리켜 아날로그 시스템(Analog System)이라고 합니다.

아날로그 시스템의 예로는 현존하는 거의 모든 자연 시스템을 들 수 있습니다.

ex) 기상 시스템 - 태양열에 의해 바다에서 수증기가 올라가서 구름이 되고 바람을 일으키고 천둥과 함께 비를 내리는 등..

인간이 의도적으로 디지털 데이터로 변환 시키지 않는 한 아날로그 시스템입니다.

입력과 출력이 디지털 데이터인 시스템을 가리켜 디지털 시스템(Digital System) 이라고 합니다.

디지털 시스템의 예로는 디지털 전자제품으로 다 접두사로 디지털이 들어갑니다.. 굳이 예는 들지않겠습니다.

1-2. 디지털 시스템의 장점 

원론적으로 이야기하자면 디지털 시스템의 장점은 구성요소의 처리과정이 매우 정확하고 동작상태를 예상할 수 있으며, 

구성요소의 설계가 쉬운 장점이 있습니다.

주로 집적회로(Integrated Circuit : IC)를 사용하여 설계되는 디지털 시스템은 다음과 같은 장점이 있습니다.

① 편리성(convenience) : 데이터가 숫자로 바로 입력되거나 출력되어 사용자가 데이터를 인식, 조작하는데 편리성을 제공함.

② 융통성(flexibility) : 시스템의 실행순서를 조정할 수 있어 시스템 사용에서 융통성을 제공한다.

③ 단순성(simplicity) : 두 가지의 상태 신호만 취급하여 시스템 설계에서 단순성을 가진다.

④ 안정성(stability) : 단지 0이나 1의 상태 신호만 유지하면 되므로 아날로그 시스템에 비해 훨씬 높은 안정성이 있음.

⑤ 견고성(robustness) : 디지털 신호는 0이나 1의 상태로 전송되므로 잡음에 대해 견고성이 있는 신호 전송이 가능함.

⑥ 정확성(accuracy) : 신호를 이산신호로 바꾸어 논리적인 처리를 수행하기 때문에 보다 정확성 있는 결과를 얻을 수 있다.

2.디지털 시스템의 설계 및 논리회로

이 아래서부터 이 과목의 핵심적인 내용이 나옵니다.

2-1. 디지털 시스템의 설계

디지털 시스템을 설계하는 단계는 다음과 같이 크게 네 가지로 나눌 수 있다.

이 과목에서는 논리 설계 단계를 다룰 것이다.

① 회로 설계(circuit design) 단계 : 트랜지스터(transistor)나 다이오드같은 능동소자와 저항과 같은 수동소자를 연결하는 단계

② 논리 설계(logic design) 단계 : 논리회로를 만들기 위해 게이트(gate)와 플립플롭(flip-flop)과 같은 논리소자를 연결하는 단계

③ 시스템 설계(system design) 단계 : 논리 설계 단계에서의 논리회로들과 기억장치 등을 연결하여 프로세서, 입출력 제어장치 등을 설계하는 단계

④ 실제적 설계(physical design) 단계 : 시스템 설계 단계에서의 부품을 프린트 회로 기판(Printed Circuit Board : PCB) 또는 와이어랩 기판(wire-warp board)에 배치하는 단계이다.

디지털 시스템을 설계 할 때는 각 설계 단계의 상호 관련성을 고려해야 한다.

2-2. 디지털 논리회로의 개요

디지털 논리회로는 2진 디지털 논리를 논리 게이트로 구현 한 것으로 디지털 시스템을 구현하는 기본 소자가 된다.

디지털 논리회로는 디지털 시스템의 논리 설계 단계에서 주로 설계되며,

저장요소의 유무(주로 플립플롭)에 따라 조합논리회로(combinational logic circuit)와 순서논리회로(sequential logic circuit)로 구분된다.

조합논리회로(저장요소X) : 현재 입력만으로 출력을 결정할 수 있는 가장 간단한 형태의 논리회로

- 가산기, 감산기, 코드변환기, 디코더, 인코더, 멀티플렉서, 디멀티플렉서 등이 있다.

순서논리회로(저장요소O) : 현재의 입력과 저장요소의 상태로부터 출력이 결정되는 회로

- 주로 1비트의 데이터를 저장할 수 있는 플립플롭을 이용하며, 플립플롭을 여러개 묶어서 적절한 기능을 하도록 설계 된

레지스터 및 카운터가 순서 논리회로의 대표적인 예임.

3. 컴퓨터의 구성

3-1. 컴퓨터 시스템

컴퓨터는 : 전자식 데이터 처리 시스템(Electronic Data Processing System : EDPS)라고 할 수 있음.

'전자식' 이라는 용어로써 컴퓨터를 주판이나 기계식 계산기와 구분

컴퓨터 하드웨어 측면에서 컴퓨터는 입력장치, 기억장치, 연산장치, 제어장치, 출력장치 등 5대 구성요소로 이루어짐.

그림은 5대 구성요소로 구성된 컴퓨터 하드웨어 시스템을 나타낸 것으로, 

컴퓨터 하드웨어 시스템의 구성요소가 서로 어떻게 상호 작용하는 지 보여주기 위해 그렸습니다.

초록색 화살표는 데이터의 흐름을 나타내고,

검은색 화살표는 데이터 처리가 올바르게 수행 되도록 다른 구성요소를 제어하는 제어신호의 흐름을 나타냅니다.

1. 입력장치 : 외부로부터 데이터를 받아들임.

2. 기억장치 : 데이터를 기억하고 저장.

3. 연산장치 : 데이터에 대해 산술연산 및 논리연산을 수행.

4. 제어장치 : 데이터 처리가 올바르게 수행되도록 다른 구성요소를 제어함.

5. 출력장치 : 처리된 결과를 외부로 내보냄.

여기서 연산장치와 제어장치를 묶어서 처리기 또는 프로세서(processor)라고 부른다.

일반적으로 프로세서는 다음과 같이 세 가지 종류로 연산한다.

① 수치연산 및 논리연산(가산, 감산, 승산, 제산, AND, OR, NOT 등)

② 자료의 전송(레지스터, 기억장치 사이 및 입출력장치 사이의 자료교환)

③ 다음에 행할 연산의 결정

여기 왜 굵은 글씨가 없냐면 디지털 논리 관련 이야기가 없고 기본적으로 아는 내용일 것이라 생각하여 굵은 글씨 처리하지 않았습니다.

이러한 논리회로를 기반으로 하드웨어 시스템이 구성되는 것이며, 

하드웨어 시스템 구성요소의 동작원리 및 효율적인 구성방법 등은 컴퓨터 구조 과목에서 다루게 될 것이다.

쓸데없는 내용이 조금 들어가서 길어지네요.

다음부터는 확실하게 확 줄일 생각입니다.

그림은 제가 교과서를 보고 직접 그렸습니다...