🍏 조합논리와 조합논리 회로
- 조합 논리(combinational logic)
조합논리라는 이름은 입력 조합으로만 출력이 결정되기 때문에 붙여진 이름이다. 즉 내부상태를 저장하는 메모리가 없어서 입력만 보았을 때 어떤 값이 나올지 알 수 있는 논리로 컴퓨터회로에서는 불리언대수를 의미한다. (AND, NOT, OR, XOR 등)
예를 들어 불리언 대수에서 AND를 사용한 입력은 ‘A && B' 이다. 이 입력만 보았을 때 어떤 값이 나오는지 바로 알 수 있다. - 조합 논리 회로
조합 논리를 사용하여 만든 회로를 의미한다. 이전의 입력에 영향을 받지 않고, 현재의 입력만으로 출력(전류가 흐를지 흐르지 않을지)에 영향을 준다.
🍎 조합논리를 사용하기 위한 장치들
1️⃣ 전기 스위치
스위치는 전류의 흐름을 제어해 AND와 OR연산을 가능하게 한다.
스위치는 극이 몇 개인지, 출력이 몇 개인지에 따라 크게 단극단투, 단극쌍투, 쌍극단투, 쌍극쌍투 4가지로 나뉜다.
아래 그림은 차례로 단극쌍투 스위치와 쌍극단투 스위치이다.
단극쌍투 스위치로는 OR연산을 할 수 있다. 어느 한 쪽의 스위치만 내려가도 전류가 통하기 때문이다.
즉 어느 한 쪽이 참이 되어도 결과가 참이 된다는 뜻이다.
쌍극단투스위치는 두 개의 스위치가 모두 내려가야 전류가 흐른다. 이 스위치는 두 가지 조건이 참이 되어야 결과가 참이 되는 AND연산을 의미한다고 볼 수 있다.
차례로 단극쌍투 스위치, 쌍극단투스위치 (출처 : https://m.blog.naver.com/lagrange0115/221943701916 )
2️⃣ 회로(circuit)
회로는 돌아올 회(回)를 사용한다. 회로의 뜻은 전기가 구성요소들을 거쳐 다시 돌아올 수 있게 만든 시스템이다. 이런 회로는 스위치를 이용해 전기의 흐름을 제어할 수 있다. 스위치의 종류에 따라 원하는 조합논리를 성립할 때만 전류가 흐르도록 할 수 있다.
🍇 비트를 처리하기 위한 하드웨어
스위치로는 NOT연산을 처리할 수 없다. 비트를 처리하려면 논리 연산이 모두 가능해야하는데 어떤 장치를 이용해 연산할 수 있을까?
1️⃣ 릴레이(relay)
계전기라고 부르며 전자석을 사용해 스위치의 개패를 조절하는 장치이다.릴레이로는 스위치로 불가능한 일을 할 수 있다. NOT함수를 구현하는 인버터(inverter)를 만들 수 있게 된다.
인버터는 릴레이와 반대로 작동하는 장치이며 출력값을 반전싴킨다. 출력값이 1이면 0의 출력값을 가지게 되고 출력값이 0이면 1의 출력값을 가지게 된다. 이 장치를 이용하면 NOT연산을 구현할 수 있게 된다.
❓인버터는 어떻게 작동을 할까?
❗️공학적인 내용이 어려워 완전 깊게 이해하지는 못했는데 입력 신호에 의해 제어되는 스위치 역할을 하는 트렌지스터가 릴레이와 반대로 작동하게 만든 것이다. 입력이 높으면 트렌지스터가 꺼지고 입력이 낮으면 트랜지스터가 켜진다. 추후 더 공부하게 되면 좀 더 자세히 정리해보겠다.
2️⃣ 진공관
릴레이는 느리고 전기를 많이 소모하기 때문에 나온 대안책이다. 진공관은 충분히 가열하면 전자가 튀어나오는 열전자 방출 현상을 기반으로 만들어졌으며 전자가 특정 지점에 도착하면 참, 도착하지 못하면 거짓을 의미한다. 이는릴레이보다 훨씬 빠르지만 뜨겁고 깨지기 쉽다는 단점이 있다.
3️⃣ 트랜지스터(trangister)
트랜지스터는 전송저항(transfer register)의 줄임말로 진공관을 대체하여 전압이나 전류를 제어해 신호를 증폭하거나 스위치 역할을 하는 반도체 소자를 의미한다.
반도체란 도체와 부도체의 중간 정도의 물질로 가해진 전압, 열, 빛의 파장, 등에 의해 전도도가 바뀐다.
트랜지스터는 기판 위에 만들어지는데 이 기판에 기판 물질의 성질을 변화시키기 위해 비소와 같은 위험한 물질을 얇게 분사하는 과정을 도핑이라고 한다. 도핑을 하여 만든 소자의 차이가 극성의 차이를 만들어내고 쌍극접합트랜지스터 와 필드효과 트랜지스터 로 나뉜다.
NPN, PNP는 BJT, N채널 MOSFET, P채널 MOSFET는 FET이다 (출처 : 한 권으로 읽는 컴퓨터 구조와 프로그래밍, 조너선 스타인하트, 책만, 114p)
- 쌍극접합 트랜지스터(BJT, bipolar junction transistor)
일반적으로 트랜지스터라고 부르는 것으로 PNP형과 NPN형이 있으며, 베이스(B), 컬렉터(C), 에미터(E) 3개의 전극을 가지고 있다. 베이스는 스위치의 손잡이 역할을 하며, 전류로 전류를 제어할 수 있다. - 필드효과 트렌지스터(FET, field effect transistor)
정전기를 사용하기 때문에 스위치의 손잡이 역할을 하는 게이트가 살짝 떠있다. 전압으로 전류를 제어하고, 전력소요가 적어 현대 컴퓨터 칩에서 가장 널리 쓰이고 있다.
p.s 트렌지스터의 작동원리가 어려워 특징을 보며 이해하였다. 추후 작동원리를 더 자세히 공부해서 따로 포스팅해놓도록 하겠다.
4️⃣ 집적 회로(Integrated Circuit, IC)
직접이 아닌 집적회로는 두 개이상의 회로소자 모두가 기판 위나 기판 내에서 서로 분리될 수 없게 결합한 전자회로이다.
트랜지스터를 사용하면 AND함수와 같이 간단한 회로를 만들 때에도 많은 부품이 필요한데 집적회로를 이용하면 훨씬 작게 만들 수 있다.
조합논리를 위한 집적회로(논리게이트)에 대해서도 자세히 알아봐야하는데 글이 길어지니 다음 편에 적도록하겠다
🍐 조합논리장치의 한계
조합논리장치는 기억할 방법이 없다. 컴퓨터의 메모리 역할을 하는 것이 없다는 뜻이다. 기억을 할 수 없으면 이전에 했던 연산에 이어서 연산을 할 수 없으니 프로그래밍을 할 수는 없을 것이다. 이런 한계를 극복하기위해 추후에 순차논리라는 것을 배우게 될 것이다. (예고!)
