
주1회씩 예솔님과 일대일 컴퓨터 구조 스터디를 하고 있다. 순차논리에 이어지는 래치, 플립플롭을 이해하느라 고전했다. 
스터디를 하면서 내가 잘못 이해했다는 걸 깨달았다. 그래서 예솔님에게 설명도 더 듣고, 자료도 더 찾아보고 책을 다시 읽어봤다.
래치와 플립플롭을 공부하면서 왜 잘못 이해했었는지, 어떤 실수를 저질렀는지 되돌아본다.

## 1. set, reset의 의미를 생각하지 않았다.

set은 단어 뜻 그대로 설정, reset은 set되어있던 값을 재설정하는 역할을 한다. 
과거의 값을 지니고 있는 순차논리 회로에 설정과 재설정을 아예 안 할 순 있어도 설정과 재설정을 동시에 할 순 없다. 그러니 set, reset이 둘다 0인 경우는 유효하나 set, reset이 둘다 1인 경우는 유효하지 않다.

처음 책을 읽었을 땐 set과 reset의 의미보단 두 개의 input(입력값)이라는 데에 치중하며 읽었다. 그냥 입력값이 아니라 semantic한 요소라고 생각하며 읽었어야했다.

## 2. 이전에 저장되어있던 값을 생각하지 않았다.

순차논리는 조합논리와 다르게 입력값(현재 상태)에 이전 값(과거 상태)을 더한다. 
그래서 회로를 볼 때에 그 이전 값(주로 out)을 고려해야하는데 나는 너무 현재 상태 위주로 봤다. 
이쯤 되면 얘 그냥 순차논리를 아예 몰랐던거 아니냐 싶겠지만 이제라도 알았으니 됏쬬,,,^^*

## 3. 회로들의 쓰임새를 덜 생각했다.

![열띤 토론의 흔적](/images/blog/2203/ca31.jpg)

예솔님이 스터디때 나한테 위 D래치를 쓰는 이유에 대해서 물어봤었는데, 대답을 못 했었다. 왜냐면 그 이유를 생각하지 않은 채 그림을 이해하려고 회로만 주구장창 봤기 때문이었다.
이 래치는 입출력인 set, reset 2비트를 out 1비트로 만드는 역할을 한다. 또 reset이 1인 경우엔 값을 재설정하는 기능을 한다.

![열띤 토론의 흔적2](/images/blog/2203/ca32.jpg)

그리고 이 S-R NAND 래치는 set과 reset이 둘다 1인 경우에 과거의 값을 Q로, 과거의 값 bar를 Q bar 값으로 내보낸다. 즉 과거의 상태를 유지한다.

이처럼 이런 래치들의 쓰임새를 생각해보면서 진도를 나갔을 때 회로의 발전과 책의 흐름을 더 따라가기 쉬웠다. 
스터디하면서 머릿속에 많은 물음표가 떴었는데, 이 물음표들을 느낌표로 바꿀 수 있게 노력해준 예솔님께 고맙다.


래치와 플립플롭을 배우면서 했던 실수를 되돌아본다.


지난 주에 조합논리를 배웠고 이번 주는 순차논리와 순차 논리 회로들에 대해 이야기했다.

## 조합논리

`출력 = f(입력)`

## 순차논리

`출력 = f(입력 + 저장돼있던 어떤 값)`
이 때 **입력은 현재 상태**, **저장되어있던 값은 과거 상태**를 의미한다.

## **메모리**

: 집이 늘어선 거리(street). 이 집에는 정해진 개수만큼 비트를 저장할 수 있는 방이 있다.  
이 데이터는 데이터 버스에 실어 나른다. (버스: 1개 이상의 장치가 공동으로 사용하는 회선, 회선의 집합)

## RAM (Random Access Memory)

- Random access란? **어느 위치에든 똑같은 속도로 접근하여 읽고 쓸 수 있다**  
- 메모리 배열에 저장된 **행, 열 각각의 주소를 조합해** 읽는다.
- RAM이 8기가라면 8기가 만큼의 공간이 있음. (추상적인 의미가 아님) 
램이 클 수록 공간이 그만큼 넓으니 여러 프로그램을 사용할 수 있는 것.

### SRAM, DRAM (둘 다 휘발성)

|   | SRAM | DRAM |
|---|------|------|
| 구성요소  | 트랜지스터+래치 | 커패시터+소수의 트랜지스터 |
| 속도   | 더 빠름(D램의 100배 이상)| 느리지만 구조가 간단(=> 집적도 향상 쉬움) |
| 가격  | 비쌈 | SRAM 대비 저렴 (cuz 집적도 향상이 쉬움) |
| 용도  | L2, L3 CPU | 컴퓨터 메인 메모리 |
| 데이터 휘발 | 전원 차단시 바로 데이터 지워짐 | 내부에 전류를 일시적으로 저장하는 커패시터가 있어 1주 정도는 보관 가능 |
| 특징   |  | 커패시터와 연결된 스위치가 off되더라도 전류가 새서 메모리 갱신 (재충전) 필요 |

## 블록 장치

블록 장치란 블록 단위로 IO 작업을 수행하는 장치를 말한다. 
디스크 드라이브, SSD, 플래시 메모리가 블록 장치에 속한다.

### 디스크 드라이브

우리가 아는 것처럼 동그란 디스크 판이 회전하면 디스크 헤드가 데이터를 읽는다.

- 디스크 영역을 **자화(자성을 띄도록)** 시켜서 데이터를 저장한다. (비휘발성) 
데이터 알갱이가 자성에 따라 `0` 또는 `1`을 의미하고, 비트를 전류로 변환한다.
- 속도는 **느리지만** 기록의 **밀도가 높고** 주소 공간 필요 없다.
- 블록 단위로만 입출력이 가능해 1바이트만 바꾸고 싶어도 전체 블록을 다 읽고 그 바이트를 바꾼 다음 전체 블록을 다시 써야한다.
- **비트 밀도가 안쪽이 더 높다.** 그래서 최신의 디스크는 외부에 더 많은 섹터를 넣어 낭비를 줄인다.

그러나 디스크 드라이브는 **점점 SSD(Solid State Drive)로 교체**되는 중임

### SSD

: 디스크 드라이브 모양의 패키지에 넣은 플래시 메모리

### 플래시 메모리

- `EEPROM` (전기적으로 프로그래머블, 데이터 삭제 후 재기록 가능)
- 원하는 위치를 맘대로 읽을 수 있음(LIKE RAM)
- 블록 단위로 지우고 씀
- 읽을 때는 임의 접근, 쓸 때는 블록 접근

## I/O 장치 (입출력 장치, 주변장치, peripheral)

: 키보드, 마우스 등 사용자의 입력을 받는 장치와 프린터처럼 출력을 하는 컴퓨터 주변 장치

## 과거: I/O Street과 Memory Street을 분리했다

![과거의 IO 연결](/images/os/io2.jpg)

- 이유 1. 작은 패키지에 우겨넣기엔 컴퓨터가 너무 컸음
- 이유 2. 메모리 Street에 집이 많지 않았어서 IO까지 담기엔 무리였음

## 현재: 메모리 Street의 일부를 I/O 장치에 할당

![현재의 io 연결](/images/os/io1.jpg)

- 이유: 운영체제의 **기본 데이터 처리 단위가 커져서**(32, 64비트) **메모리 거리의 주소 수가 많아짐** ⇒ 빈 집 늘어남

## 입출력 슬롯

컴퓨터에는 표준 입출력 슬롯이 있어 **일관된 방식**으로 IO 장치를 연결할 수 있다.

![io slot](https://t1.daumcdn.net/cfile/blog/0277363D51C2BBE23B)

### 입출력 장치에 메모리를 할당하는 방법 (like 서부시대의 땅 분배)

1. (메모리가?) 빈 집들 중 IO 장치에게 할당할 수 있는 영역(주소들)을 고른다.
2. 각 슬롯의 장치는 자신에게 할당된 주소를 모두 사용 가능하다.
3. 각 슬롯은 CPU가 슬롯-장치 매핑을 할 수 있는 특별 주소를 가진다.

## 입출력 장치 컨트롤러

![IO Controller의 내부 구성도](/images/os/io4.png)

- 프로세서는 이 입출력 컨트롤러의 레지스터에 비트들을 쓰거나 읽음으로써 입출력을 수행

## Memory Mapped IO (메모리 영역에 있는 IO)

![memory mapped io](/images/os/io5.png)

- 오늘날의 대부분
- 메모리, IO가 나란히, 연속된 주소 영역에 할당됨
- IO가 차지하는 만큼 메모리 용량은 감소
- CPU는 메모리, IO를 동일한 외부기기로 간주해 액세스할때 표준 데이터 전송 명령 (**read, write)** 사용
    - Read: IO 장치에서 읽어 오는 것
    - Write: IO 장치를 제어 / 출력
- 소프트웨어적으로도 메모리 액세스 & 데이터 입출력이 동일한 것으로 간주되어 load나 store 명령으로 수행 가능

### 장점

포트 입출력 구현할 때 메모리, io 차이 없어서 CPU 로직이 **간단함** ⇒ 더 저렴하고 빠르고 쉬운 CPU ⇒ **RISC가** 추구하는 바(**‘하드웨어와 기계어 명령어의 단순화 원칙’)**와 일치!

### 단점

주소와 데이터 버스를 더 많이 사용

## IO Mapped IO (IO 영역에 있는 IO)

![io mapped io](/images/os/io6.png)

- Isolated IO라고도 한다. (분리된 IO)
- 메모리, IO가 별개의 주소 영역에 할당됨
- CPU는 이 둘을 구분해야하므로 read/write 외에도 IO에 접근하는 신호(in/out)가 필요함
- 메모리 액세스: load, store
- io 입출력: input, output 명령에 의해 수행됨

### 장점

어드레싱 능력이 제한된 CPU 사용할 때 유리 (메모리 용으로 주소영역 전체를 사용 가능)

### 단점

Memory mapped io 방식 대비 하드웨어 구조가 복잡

## 명령어 비교

![memory-mapped io 의 예시](/images/os/io7.png)

- 데이터 레지스터 주소: 412번지
- 상태/제어 레지스터 주소: 413번지
- 상태 레지스터 최하위비트 = RDY 비트로 사용 (3번째 줄)
- 제어 레지스터 최상위비트 = 프린트 동작 start 비트로 사용 (2번째 줄에서 clear, LOAD 80H에서 load)

---

![io-mapped io의 예시](/images/os/io3.png)

이미지 출처: [https://itstory07.tistory.com/881](https://itstory07.tistory.com/881)


메모리를 알아보고 입출력 장치에 메모리 할당하는 방법을 알아본다.

순차논리와 RAM, 디스크 드라이브와 SSD의 특징


## 유니코드

: 문자에 16비트 코드를 부여한 코드

- UTF: 유니코드를 지원하는(e.g. utf-8, utf-16, utf-32) **가변길이 문자 인코딩 방식**
- 가변길이 문자 인코딩 방식이란? **표현해야 하는 문자에 따라 글자 크기를 가변으로 변경하여 사용 ⇒ 효율성, 호환성 good**
- utf-8: 영어, emoji 등에 사용됨 but 3바이트 이상의 문자에는 비효율적일 수 있음 → 한글의 경우 utf-8로는 3바이트가 필요한데 utf-16 을 쓰면 2바이트면 됨
 → utf-32는 모든 문자를 4바이트로 인코딩하기 때문에 사용자가 편하긴 하지만 매우 비효율적으로 메모리를 사용함.

## 컴퓨터로 색을 표현하는 방법

- 인간의 눈은 천만가지 색을 구분 ⇒ 2의 24제곱이 천만에 가까우므로 24비트 (3가지 8비트) ⇒ 
24 비트에 가장 가까운 표준 크기인 32비트에 색을 넣음. 나머지 8비트는 색의 투명도

## 데이터를 저장할 때

데이터에 옵션을 저장할 때 비트 형식으로 저장하면 좋음 (8개 옵션이 있으면 8개 bool 변수가 필요하지만 비트로 하면 1바이트로 가능)

## 아날로그와 디지털의 차이, 디지털의 안정성

아날로그(연속적) ↔ 디지털(이산적)
⇒ 0, 0.01, 0.0001 등 실수로 표시가 가능한 아날로그와 달리 이분법적인 디지털은 문턱값(**threshold**)가 존재한다.

현대 컴퓨터 칩 안의 선 간 거리가 가까울 수록 **신호 간섭이 쉬움** - 크기를 줄이면서도 **누화(crosstalk, 커플링)를** 방지하기 위해
 **판정 기준을 높여** **잡음noise 내성immunity**를 갖는 디지털 회로를 사용하는 것이 필수적⇒ **더 높은 안정성**

### 문턱값(Threshold)

기준으로 결과(출력)값이 달라지는 값

### 전이함수

- 디지털: 선형이 적고 선형을 기준으로 하는 상/하단부를 구분하기 쉬움
- 아날로그: 선형이 많아야 출력값이 갑자기 바뀌지않으니까(=문턱값이 없으니까) 아날로그.
- 릴레이의 전이 함수는 문턱값이 수직이다. 코일에 가하는 전압이 천천히 강해져도 스위치는 다른 위치로 단숨에 움직인다.

## 코일

**어려웠던 부분: 111쪽 그림 2-22**

이 릴레이 회로는 AND+가운데 인버터=OR 임을 보여준다.  
아래에 동그란 점은 +,- 등을 가진다.

![코일](https://blog.kakaocdn.net/dn/PYh15/btqAHI4jJKn/MO5GZTqxxQIYCP3oQVkgRk/img.png)

- 코일에 전기를 흘려보내면 전자석이 된다. 선으로 만든 코일 주변에서 자석을 움직이면 전기가 생긴다. 
이 때 **전자기력은 멀리 떨어진 물체에 영향**을 끼칠수 있다. 끄고 켬으로써 **물건을 움직일 수 있다. → 스위치를 움직이기 위해 전자석을 사용할 수 있다! → 릴레이의 탄생🔌**
(e.g. 수도 밸브 제어)  
- 릴레이는 **스위치 접점**을 사용해 다른 릴레이를 제어한다.  

### 릴레이를 여러개 붙여서 NOT 표현하기

- AND 회로에서 나온 출력을 OR 회로의 입력에 연결한다. 한 스위치가 다른 스위치를 제어할 수 있음

## 집적회로(Integrated Circuit)

: 트랜지스터의 집합 / 디지털 게이트를 구성하는 전자 부품들을 포함하는 실리콘 반도체

![집적회로](https://docceptor.net/wp-content/uploads/2020/12/digitalintegratedcover_bw.jpg)

- 칩 안의 **게이트들은 회로의 요구에 따라** 연결되어있음
- 외부 핀으로 연결이 되어있기도 함

## 집적 정도에 따른 IC 분류

- 소규모 집적 장치(Small-scale Integration, **SSI**): 10개 이하의 독립적인 게이트 / 게이트의 입출력이 곧바로 외부 핀으로 연결됨
- 중규모(Medium-scale..., MSI) : 10~200개 게이트 / 디코더, 가산기, 레지스터같은 기본적인 디지털 장치를 구현
- 대규모(LargeSI): 200~1000개 / **프로세서나 메모리 칩**같은 디지털 시스템 형성
- 초대규모(VeryLargeSI): 수천개 / 대형 메모리나 복잡한 마이크로칩

## 적용 기술에 따른 IC 분류

- TTL: 트랜지스터-트랜지스터 논리
  - 가장 많이 사용됨. 말그대로 여러 트랜지스터가 연결돼 논리 게이트를 구성함
- ECL: 에미터-결합 논리
  - **불포화 상태**에서 동작해 전달 지연이 1-2나노초임. 빠른 속도가 필요한 고속 회로에 사용(슈퍼 컴퓨터, 신호 처리기).
- MOS: 금속-산화물 반도체
  - 도체인 금속과 부도체인 산화물 사이의 반도체가 끼는 형태. 
  트랜지스터 **면적의 가로세로비율**만 유지해주면 전류의 크기가 같아 면적을 줄이기가 용이해 **부품의 밀도가 높은** 집적회로에 사용
- CMOS: 상보(Complementary) 금속-산화물 반도체
  - 많이 쓰임, 저전력 소비가 필요할 때, NMOS와 PMOS를 연결해 만듦

## 토템폴

트랜지스터가 세로로 나란히 붙어있는 모양/ 일반적인 게이트 출력

## 디멀티플렉서 (DMUX)

1. input이 입력됨
2. S0,S1 (선택입력)이 디코드되어 AND 게이트 하나를 선택

- 책에서 나온 예시: 호그와트 방 배정
- 예솔 님이 들어준 예시: 심리테스트에서 1번 문항 답에 따라 2번 문항이 달라진다 (like 전이함수)

## 실렉터(선택기, selector)

- 멀티플렉서라고도 불린다. (↔ 디멀티플렉서)
- 디코더+게이트=실렉터


## 이번 챕터를 공부하고 느낀 점

모든 소프트웨어는 하드웨어의 동작 방식으로 돌아간다... 예솔님의 말이었는데, 그게 내가 실무에서 일을 하면서 컴퓨터 공학을 공부해야겠다고 느낀 이유다. 
뭔가를 배워서 사용하고는 있지만 제대로 알지 못하고 사용하는 기분이었다. 아직도 디멀티플렉서는 뭐고 실렉터가 뭐고 자신있게 설명할 수 있지는 않지만
 질문을 하면 더 많은 답과 인사이트를 주는 예솔님이 있어 큰 힘이 된다.
또 내가 threshold를 잘못 이해하고 있었는데 스터디를 통해 제대로 이해했다. 예솔님 덕에 2장에 나온 장치와 전이함수를 연관지으며 읽을 수 있었다. 
무언가의 과거가 현재 상태에 영향을 주는 것을 뜻하는 ‘이력 현상’처럼 이 공부가 내가 더 나은 개발자가 되는데 영향을 주고 있다고 믿는다 🥰


컴퓨터구조

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