디지털 시스템의 개요

1.1아날로그 신호

• 아날로그 신호 : 연속적으로 변하는 값들의 집합
• 시간축, 크기 ->무수한 실수값이다

ex)온도 변화, 속도, 음성 신호

• 디지털 신호 : 연속적인 신호를 일정 시간 간격으로 샘플링한 값들 혹은 특정 시간 동안에 관측된 값들의 집합
• 시간축, 크기 ->불연속적인 값이다.

ex)샘플링 된 자동차 속도, 시간대별 고객 수, 매 시간마다 측정된 체온, 

샘플링 값이란 이산적 값 혹은 디지털 데이터. 보통 샘플링된 각 값을 10진수, 8진수, 혹은 2진수로 표현한다.

 

 

 

1.2아날로그 시스템과 디지털 시스템

• 아날로그 시스템 : 아날로그 신호를 받아서 처리하는 부품들로 구성된 장치. 아날로그 신호 입력, 아날로그 신호 출력 

ex) 일반전화 시스템, 카세트 테이프 레코더, 앰프 등

• 디지털 시스템 : 디지털 신호 입력, 처리 후 디지털 신호 출력. 때문에 아날로그 신호를 처리해야할 땐, 우선 그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D변환기 및 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 D/A 변환기가 필요하다.

그렇다면 이 변환을 얼마나 정확하게 할 것인가?

A/D 혹은 D/A 변환기에는 sampler(표본화기)와 quantize(양자화)가 존재한다.

예를 들어 라디오의 A/D 변환기라면

표본화기를 통해 Number Of Sample, 표본수를 정한 후,

양자화를 통해 Number Of Bit Per Sample 표준 비트 수를 정한다.

보통 샘플 수가 많으면 선명하지만, 같은 샘플 수라면 비트 수가 중요하다. 즉 sample 수와 bit 수가 모두 음질에 영향을 끼친다. 그러나 용량이 커지므로 무조건 많다고 좋은 게 아니다.

 

• 디지털 시스템의 장점

1. 외부 환경 변화에 영향을 적게 받기 때문에 신뢰도가 높다(노이즈가 적다) : 2진수 체계를 사용함으로써, 신호의 불안정 및 외부 잡음에 의한 영향이 적다.
2. 시스템 설계가 용이하다 : '0'과 '1'을 나타내는 전압 범위로 신호값의 구분이 간으하므로, 연산 기능만 구현하면 된다.
3. 크기와 가격이 점차적으로 감소한다 (소량화, 집적화) : 반도체 기술의 향상에 따라 크기가 줄어들고, 대량 생산이 가능해져, 가격이 인하되고 있다.

노이즈를 필터링 하려면 아날로그 신호에서 0과 1로 구분 기준이 명확하게 있어야 한다. 0과 1 기준 허용치에 들어간다면 디지털 신호로 저장되고, 들어가지 않는다면 불안정한 값이 된다. 디지털 신호가 이렇게 명확하게 구분되어 구성되므로, 노이즈가 있어도 허용치 안에 들어가기만 하면 깔끔한 디지털 신호를 전달할 수 있다.

 

• 디지털 시스템의 한계:  아날로그 값을 디지털 데이터로 표현하는 데 사용될 수 있는 하드웨어는 한계가 있다. 따라서 완벽히 정확하게는 표현할 수 없다. ->비트 수의 한계로 인한 오차는 필연적인 것이다. 이것을 인정하고, 허용해야 디지털 신호를 사용할 수 있다. 

 

1.3디지털 정보 표현

• 디지털 정보 표현에는 10진수, 2진수, 8진수, 16진수가 표현될 수 있다. 가장 효율적인 4개의 진법이다.
• MSB(Most Significant Digit) : 가장 가중치가 높은 숫자
• LSB(Least Significant Digit) : 가장 가중치가 낮은 숫자

 

• 2진수

• 0 : 0v, low, false 등의 의미도 가진다.
• 1: +5v, high, true
• 0 아니면 1, 그 사이 값은 모두 없음. 불확실. 존재 x  -> 저장된 데이터에 왜곡이 발생하여도, 전압 허용 레벨에 따라 원래 신호값을 재생할 수 있다. 
• 외부 신호에 강하다. (위의 이유로) 
• 신뢰도 높다.

2진수 ->10진수 만들어 보고 문제 풀기

 

 

 

1.4 디지털 논리 연산의 개념

• 디지털 시스템은 2진 논리회로를 이용하여 구현.
• 논리회로 : 두 개의 상태로 표현되는 입력 신혿르에 대하여 논리적 연산을 수행하는 전자회로

 

• 기본적 논리 연산들

• AND 연산
• OR 연산
• NOT 연산

 

 

1.5 논리 게이트

• 2진 정보를 처리하기 위한 기본적인 논리회로 부품
• 트랜지스터들을 이용하여 구현
• 여러 가지 논리 연산들을 지원할 수 있도록 다양한 종류 존재
• 논리 게이트를 하나 지나갈때마다 전달 지연(propagation Delay)이 걸릴 수 있음
• NOT 게이트는 인버터라고도 부름

NAND NOR XOR XNOR 

 

 

 

 

1.6 조합회로 및 순차회로

• 조합회로

• 논리 게이트들로만 구성되는 회로 모듈
• 회로 내의 각 게이트는 입력 신호를 받아 연산을 수행하여 출력하고, 그 출력 신호는 다음 단계의 게이트로 입력되어 처리되는 방식으로 최종 결과를 생성
• 이 과정에서 게이트들의 동작에 필요한 짧은 시간만큼 지연되지만, 모든 연산들은 입력 신호의 변화에 대하여 즉시 이루어진다. (즉, 그 이전의 입력신호는 출력 결과는 상과없이 현재의 입력신호들에 대해서만 연산을 수행하고 출력 신호를 발생시키는 회로)

 

• 조합회로의 예

 

[a]2-비트 가산기(반가산기 Half-Adder) 

• 두 개의 비트를 입력으로 받아서 덧셈을 수행하고, 합과 올림수 비트를 발생하는 조합회로
• 계산기나 디지털 컴퓨터에 필수적으로 포함되는 요소

[b] BCD-7SEG 디코더 (BCD-to-seven segment decoder)

• 4-비트 BCD 코드를 입력받아서, 10진수를 7개 단편을 통해 '디스플레이 장치'로 표시하기 위한 비트들을 발생한다.

• 순차회로

• 논리 게이트들과 기억 소자로 구성.
• 이전의 중간 혹은 최종 결과를 기억 소자에 저장해두었다가, 새로운 출력을 결정하는 괒어에서 그 시점의 입력 뿐 아니라 저장되어 있던 값도 함께 이용하는 것.
• 기억 소자는 플립-플롭(flip-flop)을 사용한다.
• 가장 복잡한 순차회로는 기억 소자로서 '반도체 기억장치'를 이용하는 '디지털 컴퓨터'이다 .
• 조합회로 +  memory

1.6 디지털 IC

• IC 칩 : 반도체 물질인 실리콘 조각 위에 논리 게이트들을 구현하는 트랜지스터들과 연결선들을 아주 작은 크기로 집적시켜 제조한 논리회로 부품
• 회로 집적도에 따른 IC 칩의 분류

• SSI(Small Scale IC) : 수십 개의 트랜지스터들이 집적되는 소규모 IC. 기본적인 디지털 논리 게이트들 포함
• MSI(Medium Scale IC) : 수백 개의 트랜지스터들이 집적되는 IC. 카운터, 해독기 또는 시프트 레지스터와 같은 조합 회로나 순차 회로를 포함한다.
• LSI(Large Scale IC) : 수천 개의 트랜지스터들이 집적되는 대규모 IC로서,  8-비트 마이크로프로세스 칩이나 소규모 반도체 기억장치 칩 등의 구현에 사용한다.
• VSI(Very Large Scale IC) : 수만 내지 수십만 개 이상의 틑랜지스터들이 집적되는 초대규모 IC로서, 16-비트 이상의 마이크로프로세서나 대용량 반도체 기억장치 등의 구현에 사용
• ULSI(Ultra Large Scale IC) : 수백만 개 이상의 트랜지스터들이 집적되는 32-비트급 이상의 마이크로프로세서 칩들과 수백 메가비트 이상의 반도체 기억장치 칩들의 구현에 사용

• IC칩의 패키징 방식

• 듀얼 인-라인 패키지
• 2.5D 및 3D IC 패키지. : 여러 층을 상호연결 해놓는다.