04 Logic Gates(컴퓨터와 전자공학의 연관)

[논리식 & 전자회로]

* 컴퓨터와 전자회로들이 어떻게 관련되어 있는가

- gate : A device that performs a basic operation on electrical signals

논리 게이트 - 논리 회로를 만들 때 사용하는 가장 작은 단위

gates are implemented using transistors

전기 신호를 걸면 연산하고 결과를 출력한다.

컴퓨터 안에서 어떤 방식으로 비트를 만들어낸다. 

입력 비트 2개를 조사해서 세 번째 비트를 생성한다.

- Six types of gates

NOT, AND, OR, XOR, NAND, NOR(의외로 많이 쓴다)

- NOT Gate

negation, inverter, 논리 부정

A NOT gate accepts one input signal(0 or 1) and returns the complementary opposite signal as output

- AND Gate(논리곱)

accepts two input signals -> 모두 1이어야 1을 반환, 나머지 경우는 0을 반환

X = A˙B      

- OR Gate(inclusive, 논리합)

두 신호가 모두 0일 때만 0을 반환, 나머지 경우는 1을 반환

X = A+B, logic diagram symbol은 양 옆이 오른쪽으로 볼록한 모양

- XOR Gate(exclusive or, 배타적 논리합)

뒤쪽에 둥근 선 하나 더 있어

둘 중 하나만 참일 때 참인 경우

- NAND : not of AND

and를 먼저 수행한 후 그 결과를 not 연산 한다.

따라서 두 신호 모두 1일 때 0, 나머지 경우는 0을 반환한다.

-> NAND 게이트가 만들기 가장 쉽다

컴퓨터 안에 있는 모든 부품이나 장치는 전부 NAND 게이트 여러 개를 잘 연결하면 만들 수 있다.

(NOT 게이트는 NAND 게이트 1개만 있으면 만들 수 있다. AND 게이트는 NAND 게이트 2개만 있으면 만들 수 있다)

 

- Describe the behavior of a gate or circuit using Boolean expressions, truth tables, and logic diagrams

boolean expressions : boolean algebra, a mathematical notation for expressing two-valued logic

ex. X = A'

Logic diagrams : A graphical representation of a circuit; eah gate has its own symbol

ex. A -▷○-  X (사실  동그라미는 더 작고 삼각형에 붙어있는 형태여야)

Truth tables : a table showing all possible input values and the associated output values

truth : 1, false : 0

 

* Constructing Gates

- Transistor(반도체 소자, 컴퓨터 분야에도 기여) as a Gate(NMOS)

- semi-conductor : 반도체

컴퓨터에 들어가는 모든 부품은 반도체로 만든다.

얇은 실리콘 웨이퍼를 올려놓고 표면에 다양한 화학 약품을 바르고 광학 처리 -> 열을 가하기도, 웨이퍼 표면에 금속 배선을 연결하기도.

그 결과 전자 부품 수백만 개가 들어 있는 집적 회로 탄생.

 

transistor 외부의 3개 단자 : source와 ground를 연결하는 transistor가 도체가 되기도 아니기도.

Base단자에 전기를 걸어주면 source에서 ground로 전기가 통한다. 도체가 된다.

반면 이를 접지시키거나 전기 끊으면 source에서 ground로 전기가 통하지 않고 부도체가 된다.

source 단자 옆에 출력단자 붙일 때 전기가 통하면(input 있으면) 출력단자가 나오지 않아.전기가 통하지 않으면 output으로 출력단자로 나온다.

따라서 트랜지스터는 (inverter, negation, 논리부정 회로 구현된 것) : NOT gate

- 트랜지스터 두 개를 직렬로 연결하면 NAND gate -> NOT 붙이면 AND gate

- 트랜지스터 두 개를 병렬로 연결하면 NOR gate

 

- circuits (논리회로) : 게이트들을 모아서 일을 하게 한다

Combine basic gates

Gates are combined into circuits by using the output of one gate as the input for another

Gates combined to perform more complicated tasks

복잡한 연산을 할 수 있다.

- 조합 회로 : input에 의해 output 결정

ex. 사칙연산

순차 회로 : input, state of the circuit이 output 결정

-> 중간 결과를 저장할 때, 저장을 위한 회로

 

* 메모리 : NAND 게이트 4개로 만든다. 비트 저장.

i: 기억하고 싶은 비트를 입력하는 단자

s : 장치에 i를 쓸지 말지 결정하는 입력 제어 단자

o : 기억된 비트를 출력하는 출력 단자

s가 on일 때 o는 i를 그대로 따른다.

s가 off일 때 o는 s가 off 되기 전에 입력받는 i를 보존한다.

특정 시점에 비트를 설정(s가 on일 때)하고 비트를 보존(s가 off일 때)한다.

 

- Circuit equivalence 

: Two circuits that produce the same output for identical input

- Boolean algebra

: Allows us to apply provable mathematical priciples to help design circuits

- 드모르간의 법칙 : (AB)' = A' or B'

-identify : A1 = A

 

- half adder(반가산기) vs full adder(전가산기)

2진수 간의 덧셈 수행 -> 자리 올림(carry) 발생 가능

반가산기 : 1자리 2진수 + 1자리 2진수

sum = A +B

carry = AB

ex. A = 1, B=1, sum = 0(exclusive OR), carry = 1(AND gate)

- Full adders : 전가산기

A circuit that takes the carry-in value into account

 - Multiplexers

A circuit that uses a few input control signals to determine which of several input data signals is routed to its output signal

8개 input line에 대해서 3개 control line 이 output을 결정한다.

2^3 = 8이니까

 

- Demultiplexer(DEMUX)

1개의 입력 -> 여러 개의 출력 중에 1개로만 보냄

 

- 1개의 wire로 다중 통신 하는 법

 

* circuits as memory

Digital circuits an be used to store information.

These circuits from a sequential circuit, because the output of the circuit is also used as input to the circuit.

 

- how an S-R latch operates

An S-R latch stores a single binary digit(1 or 0)

There are several ways an S-R latch circuit can be designed using various kinds of gates

X는 현재 상태, Y는 X의 invert

S=1,R=0, -> X = 0, X=1

S=0,R=1, set X=1

S=1, R=1, -> 현상태유지

 

* 데이터 저장을 위한 구조들

대용량으로 집적되어서 cpu회로를 구성한다

- D-type flip-flop -> 1bit 저장 가능

- 4 bit shift register -> 4 bit 저장 가능

- DRAM : 반응 속도가 느림, 더 작은 숫자의 gate,

DRAM cell : transistor 1개-capacitor 1개 구조

1bit 저장 가능

자료 저장용(cput는 연산용)

 

* register : 바이트 메모리와 출력 제어기를 합친 장치

데이터를 입력받고 유지할 수 있을 뿐 아니라 원할 때에만 출력을 내보낼 수 있다.

출력 제어기가 없다면 단지 바이트 메모리

입력 비트 8개의 상태를 기록하는 부품

레지스터에 새로운 상태를 저장하려면 기존의 바이트 상태를 덮어씌우는 수밖에 없다.

이 과정에서 기존의 바이트 상태는 없어진다. 따라서 레지스터에 남은 것은 가장 최근에 저장한 값뿐.

 

- the characteristics of the four generations of integrated circuits(IC)

integrated circuit(chip)

transistor 여러 개를 하나로 묶어.

IC have been classified by the number of gates ( or transistors) they contain.

As of 2014, chips exist with over 20 billion transistors.

SSI(small scale integration), msi, LSI, VLSI(very-large scale integration)

 

- CPU chip : 반도체 완성도 가장 높은 것

중앙 처리 장치(central processing unit)

has a large number of pins through which essentially all communication in a computer system occurs

단자 부분을 손으로 만지면 정전기 때문에 cpu가 탈 수 있다.