한 권으로 읽는 컴퓨터 구조와 프로그래밍 -2022.01.25.THU

✔️ 비트를 처리하기 위한 하드웨어

💫 릴레이

스위치를 움직이기 위해 전자석을 사용하는 장치

• 전력 들어가지 않은 상태에 스위치 개폐 여부에 따라 두가지
  • 열려있을 때 : 평상시 열린 릴레이
  • 닫혀있을 때 : 평상시 닫힌 릴레이
• 스테퍼 릴레이
  • 코일을 두개만 사용
  • 다이얼 전화기 시절 > 전화 교환국 > 전화번호를 세기 위한 목적
  • 핀볼 기계

단점

• 느리고 전기를 많이 소모
• 먼지/벌레가 스위치 접점에 있으면 제대로 작동하지 않음

 💡 cf. 버그 유래 : 미국 컴퓨터과학자가 오류를 추적하다가 릴레이에 낀 나방 발견하면서 단어 유명

• 전원을 갑자기 끄면 순간적으로 초고압 발생→ 기계적인 부품이 들어있지 않은 다른 물건 찾게 됨
• → 스위치 접점에서 일어날 경우 이 부분이 마모됨

💫 진공관

물체를 충분히 가열하면 전자가 튀어나오는 열전자 방출 현상을 기반으로 함

<aside> 💡 히터 → 캐소드 → (그리드) → 애노드

</aside>

• 히터 : 캐소드 가열
• 캐소드 : 히터로 인해 발생한 전자를 애노드 쪽으로 날림
• 그리드 : 스위치 손잡이 역할. 캐소드에서 나오는 전자를 쫓아내서 애노드에 도달하지 못하게 함
• 삼극관 : 캐소드/그리드/애노드가 들어있는 진공관

장/단점

• 장점 : 움직이는 부분이 없어서 릴레이보다 훨씬 빠름
• 단점 : 뜨겁고 깨지기 쉬움. 전구 필라멘트 타는 것처럼 히터도 타버릴 수 있음 (많이 개선된 것이긴 함)

https://yooshinchoi.com/2020/10/02/triode-vacuum-tube-3극-진공관/

Triode Vacuum Tube (3극 진공관) – Winds in my Mind(머릿속의 바람)

💫 트랜지스터

• 전송 저항을 줄인 말 : transfer resistor → transistor
• 반도체 사용 → 반도체 쉽게 녹기 때문에 트랜지스터에서 열을 제거해 주는 것 중요
• 반도체 물질로 이뤄진 기판(보통 실리콘으로 만들어짐) or 슬랩 위에 만들어짐

트랜지스터 유형

• 쌍극 접합 트랜지스터
• 필드 효과 트랜지스터 (FET)
  • 금속산화물 반도체 전계효과 트랜지스터 (MOSFET : FET 일종)
  • 전력 소모가 적어 현대 컴퓨터 칩에서 가장 널리 쓰이고 있음

작고 빠르고 신뢰할 수 있고 전력도 적게 소모하지만

간단한 회로를 만들 때 조차도 많은 부품이 필요하다 → 집적 회로!

💫 집적 회로

• ‘칩’ 이라고 불림
• 적은 비용으로 제작 가능

✔️ 논리 게이트

논리 게이트 : 논리 연산을 수행하는 회로가 미리 들어가 있는 회로

• 모든 회로를 설계할 필요없이 만들어진 집적회로(IC)를 선으로 연결해, 복잡한 회로를 쉽게 만들 수 있음
• AND게이트/OR게이트/XOR게이트/인버터가 들어있는 박스 얻을 수 있음

디지털 회로 설계 시 가장 많이 사용하는 게이트 : NAND, NOR 게이트

• NAND, NOR 은 트랜지스터를 2개(TTL)나 4개(CMOS) 사용한다.
• AND나 OR은 NAND나 NOR 회로 출력에 트랜지스터를 덧붙여 출력을 반전시키기 때문에 더 비싸고 반응속도가 느리다. / 전력도 많이 소모

💫 이력 현상을 활용한 잡음 내성 향상

이력 현상 : 판정 기준이 과거에 벌어진 일에 따라 달라짐

잡음이 있는 입력신호의 경우 출력신호에 ***글리치(작은 오류)***가 생긴다

디지털 장치를 이용해서 잡음 내성을 얻음 (양수님 파트)

이것으로 충분하지 않은 경우 이력 현상을 활용한 잡음 내성 향상을 함

슈미트 트리거 게이트

• 이력을 사용하는 게이트
• 일반적인 게이트보다 더 복잡하고 비싸기 때문에 정말 필요한 경우에만 사용

💫 차동 신호

잡음이 많아서 이력을 사용해도 충분하지 못한 경우.

차동신호 회로

<aside> 💡 입력신호 → 드라이버 → 반전관계 출력들 → 리시버 → 단일 신호

</aside>

서로 반전관계인 신호 쌍의 차이를 측정함

공통 모드 판별비 : 처리 가능한 잡음의 양 표시

차동 신호의 활용

• 1880년대에 전차의 잡음이 전화 신호에 간섭 → 전화선에 적용
• 연선 케이블링 : 두 선을 서로 꼬아서 전기적으로 한 쌍으로 만들어 줌
• USB, 이더넷 케이블 등에 사용

💫 전파 지연

입력의 변화가 출력에 영향을 미칠 때까지 걸리는 시간

제조 과정과 온도에 따라 생기는 편차와, 게이트 출력에 도달하기까지 연결된 구성 부품의 수에 따라 결정되는 통계적인 측정값.

<aside> 💡 최소 지연 < 실제 지연 < 최대 지연

</aside>

• 논리 회로의 최대 속도를 제한하는 요소 중 하나
• → 회로 설계시 최소/최대 지연값 감안해서 수행해야 함

cf. 전자 부품 정격표에서 사용하는 지연시간(일부)

- tpHL : 입력이 변환 직후, 출력이 `HIGH`에서 `LOW`로 변할 때의지연시간
- tpLH : 입력이 변환 직후, 출력이 `LOW`에서 `HIGH`로 변할 때의지연시간

📍 출처

https://seemly-hill-468.notion.site/CS-2-ecda03785f1247ff954c312a0acb3da8