본 포스팅은 ‘Mano의 컴퓨터시스템구조’ 교재를 참고했습니다.

집적 회로

집적 회로(IC)는 디지털 게이트를 구성하는 전자 부품들을 포함하는 실리콘 반도체(chip)이다. 기술이 발전함에 따라 칩 안에 담을 수 있는 게이트의 개수가 급격히 증가하였고, 집적된 정도에 따라 아래와 같이 소규모, 중규모, 대규모 집적 장치로 분류한다.

• 소규모 집적 장치(SSI)는 10개 이하의 독립적인 게이트가 하나의 칩에 들어가 있고, 게이트의 입출력이 바로 외부 핀으로 연결된다.
• 중규모 집적 장치(MSI)는 10개에서 200개의 게이트가 들어가 있고, 디코더나 가산기, 레지스터와 같은 디지털 장치를 구현한다.
• 대규모 집적 장치(LSI)는 200에서 1000개의 게이트를 집적하고 프로세서나 메모리 칩과 같은 디지털 시스템을 형성한다.
• 초대규모 집적 장치(VLSI)는 수천 개의 게이트를 하나의 칩에 집적하여 대형 메모리나 복잡한 마이크로 컴퓨터 칩을 형성한다.

디지털 회로는 구현하는 데 적용된 기술에 따라 디지털 논리군으로 분류된다. 대표적으로 아래와 같은 것들이 있다.

• TTL: 트랜지스터-트랜지스터 논리
• ECL: 에미터-결합 논리
• MOS: 금속-산화물 반도체
• CMOS: 상보 금속-산화물 반도체

TTL은 가장 많이 사용되고 있는 논리군이고, ECL은 고속도가 요구되는 시스템에 사용되며, MOS는 부품의 밀도가 높은 집적 회로에, CMOS는 적은 전력 소비가 요구되는 시스템에 많이 사용된다.

디코더

$n$비트의 이진 코드는 서로 다른 $2^n$개의 원소 정보를 나타낼 수 있다. 디코더는 $n$비트로 코딩된 이진 정보를 최대 $2^n$개의 서로 다른 출력으로 바꾸어 주는 조합 회로이다. $n$개의 입력과 $m(m<2^n)$개의 출력을 가지는 디코더를 $n$대 $m$ 라인 디코더 혹은 $n \times m$ 디코더라고 한다.

E가 0일때 모든 출력은 항상 0이고, E가 1일때만 정상적으로 동작한다. 각 출력은 다른 일곱 개의 입력 조합에 대해서는 0이고, 오직 하나의 조합에 대해서만 1인 출력값을 가진다. 이것이 입력 이진수에 해당한는 8진수 값이라고 할 수 있다.

보수화된 형태로 출력을 만드는 것이 더 경제적이기 때문에, NAND 게이트로 디코드를 형성하기도 한다.

두 개 이상의 디코더를 동일한 인에이블 입력에 연결해 하나의 커다란 디코더를 구성할 수 있다. 즉 $4 \times 16$ 디코더 네 개로 $16 \times 64$ 디코더를 만들 수 있다.

인코더

인코더는 디코더와 반대되는 동작을 수행하는 디지털 회로로서 $2^n$개 입력값에 대해 $n$개의 이진 코드를 출력한다.

이 인코더는 진리표에 따라 세 개의 $\text{OR}$ 게이트들로 구현할 수 있으며, 각 출력에 대한 부울식은 다음과 같다.

$$ A_0 = D_1 + D_3 + D_5 + D_7 \ A_1 = D_2 + D_3 + D_6 + D_7 \ A_2 = D_4 + D_5 + D_6 + D_7 $$

멀티플렉서

멀티플렉서는 $n$개의 선택 입력에 따라 $2^n$개의 출력을 하나의 출력에 선택적으로 연결시켜 주는 조합 회로이다. 멀티플렉서는 흔히 데이터 선택기(data selector)라고도 하며, 줄여서 MUX라고 쓴다.

디코더에 $2^n$개의 입력 라인을 더하게 되면 $2^n$대 1 멀티플렉서를 구현할 수 있다. 디코더처럼 멀티플렉서도 동작을 제어하거나 확장을 위해 인에이블 입력을 가질 수 있다.

위 멀티플렉서는 여섯 개의 입력을 가지기 때문에, $2^6=64$줄의 진리표가 필요하다. 하지만 위와 같이 함수표를 이용하면 간단하게 나타낼 수 있다.

보통 하나의 IC칩에는 여러 개의 멀티플렉서가 포함된다. 이 회로는 함수표와 같이 두 개의 4비트 데이터를 선택적으로 출력해주는 멀티플렉서로 동작한다.