2022. 3. 15. 16:10ㆍ강의 내용 정리/컴퓨터구조
Combinational Logical Circuits and Design
1. Building blocks of modern computers
(1) Transistors
- 컴퓨터는 매우 간단한 스트럭쳐인 트랜지스터가 매우 많이 들어가있다.
ex) 2000년에 판매된 Intel's Pentium IV 마이크로 프로세서는 42milion MOS 트랜지스터가 있었는데 2016년에 판매된 i7은 3.2bilion MOS 트랜지스터가 사용됨
MOS 트랜지스터
- Conductors(Metal), Insulators(Oxide), Semiconductors로 구성되어있음
- 간단한 로직게이트를 MOS 트랜지스터를 사용해 구현할 수 있기에 유명함
- MOS 트랜지스터의 두 가지 유형
* n-type: 특정 voltage 이상을 주면 연결이 됨
* p-type: 특정 voltage 이상을 주면 연결이 안됨
- 최근 컴퓨터는 n-type과 p-type 트랜지스터를 둘 다 사용하는데 이를 Complementary MOS(CMOS) 기술이라 함
- nMOS + pMOS = CMOS
(2) Logic gates
CMOS NOT gate
- 0V입력 -> 3V출력 / 3V입력 -> 0V출력이 됨
- inverter의 역할을 하는 게이트
CMOS NAND gate
- P1과 P2가 병렬로 연결되어있기에 하나만 ON이면 output이 3V임
- N1과 N2가 직렬로 연결되어있기에 둘 다 ON이어야지 output이 0V임
CMOS AND gate
- NAND gate의 output을 NOT gate의 입력과 연결함
CMOS gate structure
- 트랜지스터가 병렬로 연결되어있으면 둘 중 하나만 ON이어도 결과가 ON임
- 트랜지스터가 직렬로 연결되어있으면 둘 다 ON이어야지 결과가 ON임
- pMOS 트랜지스터는 pull-up할 때 사용
- nMOS 트랜지스터는 pull-down할 때 사용
Latency
- 트랜지스터를 병렬로 연결하는 것이 더 빠름
Power consumption
- Dynamic Power Consumption: Capacitance of the circuit x Supply voltage^2 x charging frerquency of the capacitor
- Static power consumption: supply voltage x leakage current
- Energy consumption: Power x Time
무어의 법칙
- 2년 동안 트랜지스터의 개수가 약 2배 이상 많아진다.
- 더 작은 트랜지스터와 구조를 만들고 더 나은 properties의 materials를 개발해서 무어의 법칙을 지켜내고자함
Logic circuits
- Functional specification: 인풋과 아웃풋의 관계 명시 / 동일한 입력에 대해선 동일한 출력이 나와야함
- Timing specification: 인풋이 변화되는 시간부터 아웃풋의 반응시간 사이의 딜레이를 명시
Combinational Logic
- 메모리가 없고, 입력에 따라서 출력이 달라짐
Sequential Logic
- 메모리가 존재하고, 입력과 메모리에 저장된 값을 토대로 출력이 달라짐
2. Boolean algebra
- Axiom(공리)에서부터 시작해서 AND, OR, NOT 연산을 해 1, 0 등의 값을 출력함
Duality
- 모든 AND 연산은 OR 연산으로 표현이 가능하고 모든 OR 연산은 AND 연산으로 표현 가능함
- 모든 상수 1은 0으로 표현할 수 있고, 모든 상수 0은 1로 표현할 수 있다.
드모르간의 법칙
- input 보수들의 OR는 NAND와 동일
- input 보수들의 AND는 NOR와 동일
3. combinational circuits
- 위의 게이트를 활용해 더 복잡한 게이트를 만들 수 있음
- 인풋이 동일한 경우 아웃풋도 동일하게 나와야함 -> 이때 메모리는 없는 조합회로를 의미함
조합회로와 관련된 개념
Minterm: 모든 인풋 변수의 곱(AND)으로 이루어진 경우
Maxterm: 모든 인풋 변수의 합(OR)으로 이루어진 경우
Sum Of Products(SOP): 인풋의 조합 중 하나라도 1이라면 아웃풋도 1이 됨
Products Of Sum(POS): 드모르간의 법칙을 활용해 인풋의 조합 중 0이 되는 조합에 모두 보수화를 하면 표현가능
Shorthand notation: canonical forms에서 변수를 모두 작성하는 경우 너무 길기에 이를 숫자로 줄여서 표현하는 방식
4. Combinational building blocks used in modern computers
(1) Decoder
- input 패턴을 검출하는 역할
- n개의 input이 있으면 2^n개의 아웃풋이 존재
- 주소에서 많이 사용됨
(2) Multiplexer(MUX)
- 여러개 중 하나를 선택해서 동작하게끔 할 때 필요한 모듈
- N개의 입력 중 하나를 선택해서 output으로 보내줄 때 이를 Multiplexer라고 함
-> S에 어떤 신호를 주느냐에 따라 출력 값이 달라짐
(3) Full adder
- 이진 덧셈기로서 자리수를 나타내는 carry와 덧셈의 결과인 sum을 출력한다.
- Full adder의 결합을 통해 여러 비트의 adder를 만들 수 있다.
- 위와 같은 adder는 이전 자리수의 carry를 받아야지 연산이 가능하기에 비트수가 많아질수록 더 오랜 시간이 걸린다.
-> 이에 따라 아래와 같은 다른 adder를 사용하기도 함
(4) Programmable Logic Array(PLA)
- AND Array와 OR Array의 결합으로 구현
- Flexable하게 우리가 원하는 기능을 만들 수 있는 form
- AND 게이트의 숫자는 가능한 minterm의 숫자만큼이 됨
Logical completeness
- 여태 배운 blocks들과 게이트를 통해 무엇이든지 논리적으로 completeness하게 구현할 수 있음
(5) 그 외의 다양한 blocks
Equality checker
- 입력의 비트수를 각각 비교해서 같은지 확인하는 checker
ALU(Arithmetic Logic Unit)
- n bit의 숫자가 들어오면 control signal에 따라 연산을 진행함
Tri-State Buffer
- 끊어진 것에 대한 기능을 하는 버퍼
- CPU와 메모리를 와이어로 연결했을 때 두 군데를 동시에 처리하지 못하고 둘 중 하나만 처리하게끔 할 때 사용
- 해당 예시는 MUX로도 구현할 수 있음
- Logic Simplification은 로직을 간단하게 하기 위해 필요함
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