내가 공부한 논리회로 1.Overview of Digital System

본격적으로 Digital Computer Information에 대해 알아보겠다.
 

1. 챕터 1에서는 다음의 4가지 사항을 배울 것입니다.

1. 디지털에 대한 기본개념

디지털 시스템, 회로, 신호가 무엇인가?
 

2. 가장 많은 시간을 투자하여

1. 진법 간의 변환
2. 특정 진법에서의 사칙연산
에 대해 공부할 것입니다.

3. Arthmetic Operations

말 그대로 + - * /인데 십진법뿐만 아니라 위에서 배운 2진법에서의 덧셈, 8진법에서의 곱셈 등등에 대해 배운다.
 
 

4. Codes

마지막으로 디지털 시스템 여러 가지 간단한 디지털 시스템에서 많이 사용되는 코드에 대해서 알아보도록 한다.
 

2. 오늘은 1-1 (디지털에 대한 기본개념)에 대해서 공부해보도록 한다.

우리가 많이 사용하는 스마트폰, 스마트 tv, 컴퓨터
이런 것들의 공통점은? What do they have in common?
Digital Systems이다. Devices이다.라는 공통점이 있습니다.
그렇다면 
 
 
What do we study to understand digital systems? (우리가 디지털 시스템을 이해하기 위해서 무엇을 공부해야 하는가?)

Digital System basic	시스템에 대한 기초를 배워야 한다.
Digital Signal Processing(3학년 DSP, 응용 및 해석)	디지털 신호를 처리하는 방법
Digital Processors	(실제 디지털 프로세서 마이크로프로세서 fpga 이런 칩들에 대해서 차근차근 공부하게 된다.) 디지털 프로세스에 대해서 공부해 보아야 한다.

이러한 전반적인 학습이 되었을 때 작은 규모의 디지털 시스템을 만들어 볼 수 있는 것입니다.
 
이번 논리회로에서는 디지털 시스템에 대한 가장 기본적인 것들을 공부하게 됩니다.
그래서
 
 

3. 디지털 시스템을 이해하기 위해서  아날로그 신호와 디지털 신호의 차이를 알아본다.

 
지금 시간은? 1시 38분 >> 인간이 알기 쉽도록 digit화한 시간 표현 방법이다.
실제 시간은 1시 38분 32. 24488770.... 끝이 없이 표현된다.
자연계에 존재하는 정보들은 완전하게 모사가 불가능하다.
이렇게 
실제 존재하는 정보량이 아날로그 시스템이고, 인간이 처리하기 편하도록 가공한 신호가 디지털 신호이다.
 
아날로그 신호를 다루는 시스템이 아날로그 시스템이 된다. 대표적인 것으로는 라디오가 있다.
배캠(배철수의 음악캠프) 목소리가 조금도 가공되지 않고 증폭하거나 아날로그 신호만 처리한 뒤 그대로 전송되는 것이다.
 

3-1. 아날로그

digitize(디지털화)해서 가공하거나 처리하면 훨씬 더 쉽게 집적화 할 수 있다.
디지털 신호를 만들어서 디지털 신호 처리를 하는 것>>디지털 시스템이라고 한다.
전화로 엄마 뭐해? 가 그대로 전달되는 것이 아니라 1 0으로 표현된 데이터
무선통신 시스템을 타고 전달되면 이 휴대폰에서는 무슨 일을 하냐면
1 0 1 0을 받아서 다시 음성으로 변환하는 것이다. 이런 것들이 디지털 시스템으로 변환되는 것이다.
0 1로 변환해서 처리하는 과정을 디지털 시스템, 디지털 신호처리라고 한다.
이렇게 하는 이유는 디지털 신호를 처리하는 것이 다루기가 쉽기 때문에
단위 칩에 더 많은 연산을 수행하기 때문이다.
 
(Quantization error이 발생한다는 단점이 있는데 이는 신호처리 교과목에서 배우도록 한다.)
 

3-2. ADC and DAC

ADC : analoge to digital converter : 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 것
아까 말한 것처럼 사람의 음성
 
DAC : 디지털 신호를 아날로그 신호로 복원할 때 사용한다.
Convert:변환기라는 뜻을 가짐 (conversion: 전환 )
 
Analog to Digit Conversion
 

Analog signal x(t)

: is a continuous function of time having a continuous value
시간에 대해 연속인 함수 (real)
 

Discrete-time signal:

x(Kt)라고도한다. 시간에 대해서 불연속인 함수이다. 값은 연속인 값이다.(real value)
특정한 시간에만 값을 갖는다. 
아날로그 시그널을 샘플링을 하면 Discrete time signal을 얻게 된다.
 

여기서 빨간색 실선이 아날로그 신호
파란색 점이 Discrete time signal이다.
아날로그 신호에서 Discrete-time signal 로 바꾸는 과정을 Sampling 이라고 한다.
역과정도 가능하다. 증폭시켜서 매우 정밀하게 하면 Discrete time signal 에서 아날로그 신호로 변환이 100% 가까이 가능하지만 Discrete time signal 에서 디지털신호로 바꾸는 역과정은 불가능하다. 이를 양자화하는 과정에서 근사 화 시켜버리기 때문에 역으로 돌아 갈 수 없다.
 

Digital signal :

x [n]이라고도 한다. is a discrete function of time having a discrete value
quantization: 정량화
예를 들어 지금 디지털 시그널은 제일 가까운 실수로 매핑
이런 식으로 가우스 식 안에 넣는
가질 수 있는 수의 범위 가 제한되어있다. 정수 값만을 가질 수 있다.
실제로 디지털 시스템에서 사용할 때는 2진수를 활용해서 표현한다.

 

3-3. Digital Signal Representation (디지털 신호 표현)

0 또는 1로 표기된다.
두 개의 값만을 갖는다.
 
두 개의 값만을 갖는 것으로는 아래와 같은 예시가 있습니다.
-꺼지거나 켜지거나 (on, off)
-높은 값이거나 낮은 값이거나 (high level, low level)
-참이거나 거짓이거나 
-0이거나 1이거나
-0V이거나 5V이거나
 
?? 바로 위에서 5V 일 때만 1인 것 이 아니라 0V가 아닌 모든 전압을 1로 나타내는 것 인지 궁금했는데 
>>>>뒤에 나오는 내용으로 알아볼 수 있습니다.
 
 
추후에 실험과목을 수강한다면
TTL IC라는 칩 가지고 많이 만들게 될 것입니다.
 

 
여기에 0과 1을 처리할 수 있는 NAND 게이트 AND게이트 등이 집적되어있는 소자이다.
 

0과 1을 디지털 시스템을 어떻게 구분하는지에 대해 알아보겠습니다.

 

1. 전압이 특정 볼트 이상이면 5V언저리이면 1

0V언저리 이면 0이라고 판단한다.
전압 외에 다른 물리량으로도 0과 1을 표기할 수가 있다.
 
예를 들어

2. DRAM 같은 경우에는

electrical charge라고 하는데 전하가 DRAM하나의 셀에
충분히 충전되어있으면 1 방전되어 있으면 0
 

3. Disk :Magnetic field direction

(마그네틱 필드>> 3학년 때 전자기학 들으면 알 수도 있다.)
마그네틱 필드의 방향이 위쪽 방향이면 1, 아래 방향이면 0이다.라고 판단한다.
 

4. CD 같은 경우

무수히 많은 홀이 있다. 그 구멍에 빛을 조사시켜서 구멍이 있으면 1 없으면 0
 
크게 중요한 얘기 아님
 
중요한 것은 

4. 디지털 정보를 세는 단위이다.

 

1. bit

(소문자 b라고 표기합니다.)
0 또는 1
방한칸
110 >>  3bit=3b (소문자!)
 

2. byte

(대문자 B라고 표기합니다.)
방 8칸
8bit=1byte
11010110 >>1 byte=1B(대문자!)
 

3. Nibble

방 4칸
4bit =1 Nibble
 

4. word

영어로 단어라는 뜻 구성된 글자의 수를 셀 때도 쓴다.
단어의 길이가 다양하다.
information >>11 word라고 한다.
word는 우리가 정의해서 쓰는 단어
 
어떤 시스템에서 32bit를 1 word라고 정의해서 사용.
또 어떤 시스템에서는 64bit를 1 word로 정의해서 사용.
가변 단위이다.라고 알아두면 된다.

 
 
 

5. SI 단위계

(일반물리, 전기회로, 논리회로 ,,,,,, 아주 많이 나옵니다. SI단위계를 꼭 숙지하면 좋을 것 같습니다.)

 
 
우리는 디지털 시스템을 공부하고 있고 디지털은 2진법을 사용하기 때문에
우리는 2의 승수를 알고 있어야 합니다.
 
2^10 =1024 bits =1 kibits≒1 Kbits
ki라는 기호가 있음을 위 표에서 확인할 수가 있습니다.
>> 킬로비트라고 한다.
정확히 말하면 1킬로비트는 1000비트가 아닙니다. 
위의 표에서 보이는 것 처럼 1024비트라고 하는것이 더 정확합니다.
 
2^20=1048576 bits=1 mebits≒1 Mbits
>>메가비트
정확히 말하면 1메가비트는 100만 비트가 아닙니다.
(위의 표에서 보이는 것 처럼)104만8756 비트라고 하는것이 더 정확 합니다.
 
 
추후에 메모리 공부할 때 자세히 공부할 것입니다.
 
 
 
 

6. 조합 회로와 순차 회로가 무엇인가?

 
1학기 논리회로설계에서는 조합 회로에 대해서 공부할 것입니다.
combinational circuit (논리회로)
출력이 입력에 의해서 변화하는 회로
수식으로 표현하자면
O=f(I)
 
 
2학기 디지털 회로에서는 순차 회로에 대해서 공부할 것입니다.
Sequential circuit (순차 회로) 
출력이 입력뿐만 아니라 그 회로가 갖고 있는 현재의 상태(State)에 의해서 출력이 결정되는 회로이다.
 
O=f(I, S)
조금만 더 이야기하자면
순차 회로는 '현재의 상태'를 가지고 있어야 하므로 컴퓨터 레지스터, 플리 플롭 이런 것들을 디지털 시스템 설계에서 배우게 된다.
 
 
 
 

7. 우리가 배우는 것이 컴퓨터를 설계하기 위해 기초가 되는 지식이다.

End user Product (최종 사용자 제품)

 
스마트폰 스마트 티브이 컴퓨터와 같은 전자제품의 내부를 뜯어보면 다음과 같이 구성되어있다.

주황글씨로 되어있는 것들은 논리회로 설계, 2학기 디지털 시스템 설계 시간에 공부하게 될 내용이다.

 
 
전기회로 수업에서

1. 저항 캐패시터 인덕터에 대해 공부하게 될 것이다.

 

2. 다이오드 , 트랜지스터라는 소자에 대해서는 

전자회로에서 공부할 것입니다.
(고등학교 물리에서 pnp npn접합 등의 반도체에 관한 간단한 내용을 공부했다면 다이오드와 트랜지스터가 무엇인지 알 수 있습니다.)
 

3. 이러한 소자들이 100개 내외로 집적된다면 gate를 만들 수 있다.

(AND OR NOT XOR)>>> 논리회로에서 보게 될 gate들입니다.
왜 gate라고 하는지는 나중에 설명할 것입니다.
 

4. 게이트 들을 더 연결하면

Adder (덧셈기) multiplier(곱셈기) register counter(시계)를 만들 수 있다고 합니다.
 
궁극적으로는

5. 위와 같은 것들을 조합하면

마이크로 프로세서, DSP FPGA ASIC과 같은 칩들이 나오게 된다.
 

6. 위의 칩들이 조합되면

컴퓨터, 디지털 TV, 등 의 전자제품을 만들 수 있게 되는 것입니다.
 

7. 여러 가지 임베디드 시스템

을 만들기 위한 내부적인 소자들에 대해서 차근차근 공부하게 됩니다.
 
 
 
 
ASIC은 대학원 가서 공부해야 한다.
 
 
 
 

8. 디지털 시스템을 구성하는 구조

PC를 생각해서 맵핑시켜서 보면 될 것이다.
Real time os :
실시간으로 발생하는 상황에 따라 처리가 가능하도록 만들어진 운영 체제라고 합니다.
(출처: 네이버 지식백과)
OS: operating system 의 약자입니다.
그냥 쭉 보면 된다.
 

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