[컴퓨터구조] 2. 디지털논리회로(II) 및 컴퓨터 명령어(I)

bien·2025년 10월 5일

컴퓨터구조

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컴퓨터와 디지털 논리회로 (2)

학습목차

컴퓨터와 디지털 논리회로(2)
- 조합논리회로
- 순서논리회로

1. 조합논리회로

조합논리회로
- 현재 입력의 조합에 의해 출력이 결정되는 논리회로
순서논리회로
- 현재 입력과 이전 입력 상태(저장 요소의 상태)에 의해서 출력이 결정되는 논리회로
논리회로 블록도
회로도의 예

1.1 기본 연산회로

사칙연산을 수행하기 위한 산술연산회로
- 가산, 감산, 승산, 제산
- 대부분의 컴퓨터에서 산술연산회로는 가산기를 중심으로 구성되며, 덧셈을 응용하거나 변형하여 수행됨
- 논리연산은 가산기와 별도의 논리회로로 수행되지만, 산술연산 관점에서 보면 컴퓨터는 본질적으로 가산기 기반의 장치임
가산기
- 2진수의 덧셈을 수행하는 조합논리회로
- 반가산기(HA: Half Adder)
  - 두 비트의 덧셈을 수행
- 전가산기(FA: Full Adder)
  - 세 비트의 덧셈을 수행
반가산기
- 두비트의 덧셈 (S:합, C: 자리올림)
- 간소화 과정을 통해 구해진 불함수
전가산기
- 세 비트의 덧셈
감산기
- 2진수의 뺄셈을 수행하는 조합논리회로
- 반감산기(HS: Half Subtractor)
  - 두 비트의 뺄셈을 수행
- 전감산기(FS: Full Subtractor)
  - 세 비트의 뺄셈을 수행
반감산기
- 두 비트의 뺄셈 (D: 차, B: 빌림 수)
- 간소화 과정을 통해 구해진 부울함수
전감산기
- 전감산기의 진리표
- 전감산기의 회로도
가감산기
- 덧셈과 뺄셈을 가산기만으로 수행하는 회로
  - 감산기는 가산기에 NOT 게이트만 추가된 형태

1.2 MSI를 이용한 조합논리회로

집적회로
- 효율적인 회로를 만들기 위해서는 필요한 게이트의 수, 배선 등 물리적 요소를 최소화할 필요가 있음
- 이를 위해 처음부터 끝까지 직접 최적화 설계를 하는 것은 시간과 비용 측면에서 비효율적임
- 회로를 만들 때에는 이미 최적화되어 패키징 되어있는 집적회로(IC)를 많이 사용함
  - 이미 만들어진 회로를 사용하여 다양한 조합논리회로를 설계할 수 잇음
MSI(Medum Scale Integrated circuits) 장치 (MSI 소자)
- 여러 게이트의 조합으로 특정 기능을 수행하는 중간 규모 집적회로
- 이미 검증된 최적 설계를 제공하기 때문에 설계 생산성을 향상하고 유지보수가 용이해짐
  - 논리블록 형태로 사용되기 때문에 설계자가 모든 설계를 직접 할 필요없음
- 대표적인 MSI 장치
  - 인코더, 디코더, 멀티플렉서, 디멀티플렉서
인코더(Encoder)
- 부호화되지 않은 입력을 받아서 부호화 된 출력을 내보내는 부호화기
  - 입력된 데이터를 특정 형식으로 변환하는 장치
- 인코더는 2^n개의 입력과 n개의 출력을 가지며, 입력값에 대응하는 2진 코드를 출력 값으로 생성함
디코더(Decoder)
- 부호화 된 입력을 받아서 부호화되지 않은 출력을 내보내는 복호화기
  - 입력된 데이터를 해석하여 해당되는 출력 신호로 변환하는 장치
- n비트의 2진 코드를 최대 2^n개의 서로 다른 정보로 변환함
- 2*4 디코더 예시
멀티플렉서(Multiplexer)
- 여러 개의 입력선 중에 하나를 선택하여 단일 출력으로 내보내는 조합논리회로
  - 특정 입력 신호를 선택하기 위해 선택변수 사용
- 2^n개의 입력 신호 중에서 특정 입력을 선택하기 위해서는

2 순서논리회로

현재 입력과 이전 입력 상태(저장 요소의 상태)에 의해서 출력이 결정되는 논리회로

저장요소의 유무가 큰 차이점

2.1 순서논리회로

동기화를 어떻게 하느냐에 따라 크게 2종류로 나눌 수 있다.

비동기 순서논리회로
- 저장 요소로 시간지연 소자를 사용할 수 있음
- 시간지연소자로 인해 신호가 전달되려면 일정한 시간이 걸리는데 이를 통해 신호를 기억하는 것 처럼 동작하게 할 수 있음
- 구성 요소간 공유하는 기준 타이밍인 클럭이 없기 때문에 여러 신호가 거의 동시에 바뀔 경우, 회로가 예상치 못한 순서로 상태가 변화할 수 있음
동기 순서 논리회로
- 특정 순간에만 저장 요소의 내용을 변화시킬 수 있는 신호인 클럭 펄스를 사용
  - 클럭 펄스는 시스템 전체에 제공되며, 구성 요소들은 클럭 펄스를 기반으로 동작 타이밍을 결정
- 저장 요소로 플립플롭(flip-flop)을 일반적으로 사용하며, 가장 많이 사용되는 순서논리회로

작업 순서를 완전게 동기화시킬 수 잇다는 안정성 때무넹 동기순서 논리회로가 더 선호된다.

플립플롭(F/F: Flip Flop)

1비트의 2진정보를 저장할 수 있는 기억소자 (0 or 1)
입력신호에 의해 상태 변경 지시가 있을때까지 현재의 2진 상태를 유지
클럭 신호에 의해 출력 상태를 바꿈

종류

SR 래치
- 넓은 의미의 플립플롭 - "디지털 기반 기억소자" 전체를 일컫는 포괄적인 개념
- 구동 입력이 1일 때 출력이 바뀌는 비동기 순서논리소자
RS 플립플롭, D 플립플롭, JK 플립플롭, T 플립플롭
- 클럭 신호에 의해 출력이 바뀌는 동기 순서논리소자