2.1 Integrated Circuits (IC)

트랜지스터(Transistor)

  • 1세대 전자식 컴퓨터의 핵심 부품인 진공관을 대체한 전자 부품
  • 진공관보다 작고 싸며 더 적은 열을 발산한다
  • 반도체 재료인 실리콘으로 만들어진 고체 장치
  • 2세대 컴퓨터들은 약 1000개의 트랜지스터로 구성됨

집적회로(IC)

  • 디지털 게이트를 구성하는 전자 부품들을 포함하는 실리콘 반도체
  • 수만 개 이상의 트랜지스터들을 하나의 반도체 칩에 집적시킨 전자 부품
  • 제 3세대 컴퓨터들의 부품

집적도에 따른 IC 분류

  1. SSI(Small Scale ID)
  • 수십 개의 트랜지스터들이 집적되는 소규모 IC
  • 최근에는 주로 기본적인 10개 이하의 디지털 게이트들을 포함하는 칩으로만 사용됨
  1. MSI(Medium Scale IC)
  • 수백 개의트랜지스터들이 집적되는 IC(10~200개 까지 게이트 집적)
  • 카운터, 해독기 또는 시프트 레지스터와 같은 조합회로나 순차 회로를 포함하는 칩
  1. LSI(Large Scale IC)
  • 천개 가량의 트랜지스터들이 집적되는 대규모 IC
  • 8비트 마이크로프로세스 칩이나 소규모 반도체 기억장치 칩
  1. VLSI(Very Large Scale IC)
  • 수만 내지 수십만 개 이상의 트랜지스터들이 집적되는 초대규모 IC
  • 제 4세대 컴퓨터들의 부품
  • 마이크로프로세서 칩들과 대용량 반도체 기억장치 칩
  1. ULSI(Ultra Large Scale IC)
  • 수백만개 이상의 트랜지스터들이 집적된느 32비트 급 이상 마이크로프로세서 칩들과 수백 메가비트 이상의 반도체 기억장치 칩들
  • VVLSI(VeryVery Large Scale IC)라고도 불림

IC 사용에 따른 이점

  • 전기적 통로가 짧아짐으로써 동작 속도가 크게 상승한다.
  • 컴퓨터 크기 감소
  • 칩 내부의 회로들간이 상호 연결되어 있어 부품들간의 신뢰성이 향상된다.
  • 전력 소모 감소 및 냉각 장치의 소형화
  • 컴퓨터 가격 하락

VLSI의 출현으로 개인용 컴퓨터(PC)가 개발되었다.

적용된 기술에 따른 분류: 디지털 논리군

TTL(Transistor-Transistor Logic)

  • 가장 많이 사용된다.
  • 전원 5v, 논리레벨 0 : 0v / 1: 3.5v
  • 표준 TTL, 고속 TTL, 저전력 TTL, 저전력 schottky TTL, 고성능 schottky TTL 등
  • DTL(Diode-Transistor Logic)에서 발전된 형태

ECL(Emitter-Coupled Logic)

  • 고속이 요구되는 시스템에 사용된다.
  • 슈퍼컴퓨터나 신호 처리기 같은 회로에 사용한다.
  • 불포화 상태에서 동작하도록 emitter 전류를 제한하여 전달 지연이 짧다.

MOS(Metal-Oxide Semiconductor)

  • 금속과 산화막을 사용하여 부품의 밀도가 높은 집적회로
  • MoSFET(MOS field-effect transistor)의 한 종류
  • 단상(unipolar) 트랜지스터로 N형과 P형이 있다

CMOS(Complementary MOS)

  • N-MOS와 P-MOS를 직렬 연결한 소자
  • 회로의 밀도가 높고 제조공정이 단순하며 전력 소비가 적음
  • 저전력 소비가 요구되는 시스템에 사용

2.2 디코더

  • n비트의 이진 정보를 최대 2^n개의 출력으로 변환하는 장치
  • n X m 디코더 (m<=2^n)
  • Enable 신호 : 디코더의 동작을 제어 (1: 동작, 0: 모든 출력 0)

K-030

NAND 게이트 디코더

  • 보수화된 형태로 출력한다. (해당하는 출력 신호 0)
  • 경제적이다.

K-031

  • E=0 이면 A`로 출력
  • E=1 이면 모두가 1로 출력

인코더

  • 2^n개의 입력에 대하여 n 비트의 코드를 생성하는 장치
  • 디코더의 반대 역할 (m x n) 인코더
  • 입력 신호가 두개이상 동시에 1일 수 없다.

K-033

K-034

  • 인코더는 데이털르 압축하여 암호를 생성하는 암호화 장치
  • 디코더는 암호로부터 원본 데이터를 생성하는 복호화 장치

K-035

2.3 멀티플렉서 (Multiplexer)

멀티플렉서(Multiplexer : MUX)

  • 여러 개의 입력중에서 하나를 선택하여 출력으로 전달한다.
  • n개의 선택 입력에 따라 2^n개의 입력 중 하나를 출력에 선택적으로 연결

디멀티플렉서(Demultiplexer : DEMUX)

  • 하나의 입력을 n개의 선택 입력에 따라 2^n개의 출력으로 분배한다.
  • 멀티플렉서의 반대 역할

K-036

K-038

2.4 레지스터

레지스터

  • 여러 비트의 이진 정보를 저장하는 소자
  • 여러개의 플립플롭으로 구성되어 있다
  • 클럭을 공유하여 동시에 동작한다.

n bit register

  • n비트의 이진 정보를 저장하기 위한 n개의 플립플롭과 데이터 처리를 위한 조합 회로로 구성되어 있다.

4비트 레지스터

  • 클럭 신호로 제어한다.
  • 레지스터의 모든 신호가 동시에 적재된다.
  • clear input : 0 입력시 클럭과 무관하게 레지스터의 모든 플립플롭의 출력을 0으로 만든다. = reset

K-039

주 클럭 발생기

  • 디지털 시스템의 모든 레지스터와 플립플롭에 지속적으로 클럭 펄스 제공

병렬 로드를 가진 레지스터

  • 클럭 펄스의 작용 여부를 제어
  • 로드 입력 0 : 입력 차단되고 자신의 출력이 입력으로 연결되어 유지
  • 로드 입력 1 : 네 개의 입력이 레지스터로 전달
  • 클럭의 버퍼(Buffer) : 클럭 발생기로부터 입력된 신호의 전압을 증폭시키는 역할

2.5 시프트 레지스터

  • 레지스터의 데이터를 한 방향 혹은 양쪽 방향으로 자리 이동하는 레지스터

K-040

병렬 시프트 레지스터 with Parallel Load

레지스터의 기능

  • clock pulse : 모든 동작 동기화
  • 직렬 입력 라인 : 왼쪽(또는 오른쪽) 시프트 동작
  • n개의 병렬 입력 라인 : 병렬 로드 동작(병렬 전송)
  • n개의 출력 라인
  • 제어 상태(control state) : 연속된 clock 입력에도 레지스터 정보가 고정됨

2.6 이진 카운터

카운터(Counter)

  • 입력 펄스에 따라 미리 정해진 순서대로 상태 변이가 진행되는 레지스터
  • 입력 펄스 형태 : random(clock pulse count signal)
  • 어떤 사건의 발생 횟수 계산 또는 동작 순서를 제어하는 타이밍 신호를 생성한다.

이진 카운터 : 이진수 순서에 따라 0부터 (2n-1)까지 반복한다.

2.7 메모리 장치

메모리 장치(Memory Unit)

  • 데이터의 입출력 기능을 가진 저장 요소의 집합

메모리 장치의 특징

  • 정보 저장 : 워드(word) 단위

    • 1 word = 4 byte, 1 byte = 8 bits

    • 각 워드의 주소 범위 = 0 ~ 2^k -1 -> 주소 라인 = k개

      • 210 words -> 10 bits 주소
      • 232 works -> 32 bits 주소

      주소 입력의 값에 따라 워드 선택(디코더)

  • 메모리 크기

    • kilo = 2^10, Mega = 2^20, Giga = 2^30
    • 64 KB = 2^6 * 2^10 = 2^16Byte
    • 2MB = 2^21 Byte, 4GB = 2^32Byte

계층에 따른 메모리 분류

  • 주기억 장치(Primary Storage Main Memory)
    • CPU에서 직접 액세스 할 수 있는 저장 장치
    보조기억장치(Secondary Storage Auxiliary Storage)
    • CPU에서 직접 액세스 할 수 없는 저장 장치

    레지스터(Register)

    • CPU 안에 내장되어 있어서 연산을 위한 저장소 제공

    캐쉬(Cache)

    • CPU와 주기적장치 사이의 임시 기억 장소

  • 디스크 캐시(Disk cache)

    • 보조기억장치로부터 데이터를 읽고 쓰는데 필요한 시간을 줄이기 위해 고안된 기법

데이터 접근 방법에 따른 메모리 분류

분류 접근 방법 장치 접근 시간
순차 접근 처음부터 차례대로 자기 테이프 파일 위치로 이동하는 시간 추가
직접 접근 임의의 위치를 접근 자기 디스크, CD-ROM 디스크 헤드 이동 시간 추가
임의 접근 임의의 위치 접근 + 접근 시간 동일 ROM, RAM 동일
연관 접근 테이블 구조에 대한 내용(키)에 대한 접근 CAM 동일

연관 기억장치(associative memeory)

  • CAM(Content Addressable Memory)
  • 고속 탐색을 위한 특수 기억장치

메모리 성능 평가

성능 척도 정의
접근 시간 기억장치에 주소와 제어 신호가 제공된 후 데이터가 읽혀지거나 쓰여지기 시작할 때까지의 시간
사이클 시간 기억장치를 연속적으로 액세스할 때 소요되는 시간 = 접근시간 + 여유 시간
전송률 1초에 액세스할 수 있는 데이터의 양 = 1 / 사이클 시간 단위는 bps
대역폭 데이터 통신에서 채널이 수용할 수 있는 주파수 대역의 범위, 기억 장치에서는 전송률과 같은 의미로 사용함

RAM(Random Access Memory)

  • 워드의 물리적인 위치와 무관하게 접근 절차나 접근 시간 동일

  • RAM 외부와 통신

    • 데이터 입출력라인
    • 주소 라인
    • 제어 라인 : 데이터 전송방향 결정

    워드가 전송되어 메모리에 저장되는 고장

    • 주소 라인에 워드를 저장할 이진 주소 값을 입력
    • 데이터 입출력 라인에 저장될 데이터 비트들을 입력
    • 제어 라인의 쓰기 입력 활성화

    워드를 메모리에서 꺼내는 과정

    • 주로 라인에 원하는 워드의 이진 주소 값을 입력
    • 제어 라인의 읽기 입력 활성화

ROM(Read-Only Memory)

  • 읽기 전용 메모리 = 하드웨어의 데이터 변경 불가

  • 전원이 끊어져도 지워지지 않는다

  • 출력은 현재의 주소 입력 값에 따라 결정된다.

    • 읽기 전용이므로 별도의 제어신호 필요 없음

    디코더와 OR 게이트 집합으로 구성된 조합 회로

    K-042

    마이크로 프로그램 제어장치

    • 저장된 이진 제어 정보를 이용하는 제어 장치

K-043