Transcript 시스템 개념

Digital Fundamentals
디지털 공학 개론
제1장 디지털 개념
(디지털 신호와 시스템)
교재 : Digital Fundamentals
Tenth Edition
Floyd
1 장 디지털 개념
학습 목표
 디지털 양과 아날로그 양의 기본적인 차이점.
 전압 레벨이 어떻게 디지털 양으로 표현하는 방법.
 펄스 파형.
 NOT, AND와 OR의 논리 연산.
 집적 회로의 패키지에 대해 IC 핀 번호를 정의.
 다양한 종류의 계측기를 소개하고 이를 이용하여 디지털 회로와 시스템을
고장진단하기 위해 측정하는 방법.
 다양한 형태의 프로그램 가능한 논리 소자이해와 프로그램 과정.
Floyd, Digital Fundamentals, 10th ed
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1.1 디지털 신호와 시스템 소개

정보 통신

정보통신 기기

제어시스템

군사적 전자장치



센서 및 계측


자이로 스코프
항법 장치
제어시스템과 밀접한 연관
가전 제품

신가전
제1장 디지털 시스템과 신호
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1.2 디지털 신호


0, 1의 신호: 이산적인 신호
디지털 신호를 쓰는 이유(장점)



대용량의 신호 전송
Speed(빠른 전송)
정확도
 사용 예(온도계)



보는 사람의 눈 높이, 각도에 따라 다름
소수점 자리를 보는데 있어서의 오차
디지털 - 분해능이 좋음 (소수점 이하 표기가 용이함) 정확도
 오류 검출을 통해 정확도를 높임.
제1장 디지털 시스템과 신호
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디지털 양과 아날로그 양
• 아날로그(analog) 양 : 연속적인 값을 가짐
• 디지털(digital) 양 : 이산 집합의 값을 가짐
• 디지털의 장점
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1.3 아날로그 신호의 디지털 신호화
크기
음성
시간

음성 샘플링
 Sampling(표본화)




샘플링 시간이 길면  양자화 시간이 오래 걸림, 정확도 높음.
샘플링 시간이 짧으면  양자화 시간이 빠름, 정확도는 떨어짐
양자화 : 신호의 크기에 대한 값을 부여
부호화(Encoder) : 0,1의 이산적인 신호로 부호화
제1장 디지털 시스템과 신호
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1.4 디지털 신호의 개념
아나로그
신호
연속성
디지털
신호
이산성
(불연속성)
 비유(춤)


고유의 춤: 승무(연속성이 느껴지는 춤)
로보트 춤: 브레이크 댄스(불연속성이 느껴지는 춤)
제1장 디지털 개념
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1.5 디지털 시스템

아나로그 신호  디지털 신호로 변환
Analog

A/D 변환
Processing
D/A 변환
Processing의 장점


대용량의 처리
정확성
제1장 디지털 개념
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2.1 디지털 신호와 논리 레벨(1)

디지털: 두개의 신호
0
0V
1
5V
‘1’
on
5V
5V
0V
0V
이상적인 신호
‘0’
off
실제적인 신호
(구형파)
제1장 디지털 개념
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2.1 디지털 신호와 논리 레벨(2)

주기적인 펄스



Duty rate = 50%
→ 이상적인 신호
Duty rate ≠ 50%
T(주기)
T(주기)
T=
비주기적인 펄스
1
f
제1장 디지털 개념
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1-1 디지털 양과 아날로그 양
 아날로그 전자시스템 : PA 시스템
 디지털과 아날로그 방법을 이용한 시스템 : CD Player
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1-2 2진 숫자, 논리레벨과 디지털 파형
•
•
•
•
•
•
•
디지털 전자공학에서는 두 가지의 상태만을 갖는 회로 및 시스템 다룸.
두 상태는 HIGH(1)와 LOW(0)
2진 숫자 : 두 개의 숫자인 1과 0이 사용
2진수 : 2진 자리수(binary digit)
비트 : 한 개의 이진 숫자
양 논리(positive logic): 1을 HIGH로, 0을 LOW로 표현
논리 레벨 : 1과 0을 표현하기 위하여 사용되는 전압을 논리
디지털 회로에서 전압의 논리 레벨 범위
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2진 숫자, 논리레벨과 디지털 파형
디지털 파형
 HIGH와 LOW 레벨 또는 상태를 반복하는 전압 레벨로 구성
 양의 펄스, 음의 펄스
 펄스
상승 시간(tr): 펄스 진폭이 10%에서 90%
레벨까지 증가하는데 걸리는 시간
하강 시간(tf) : 펄스 진폭이 90%에서 10%
레벨로 감소하는데 걸리는 시간
펄스 폭(tw) : 상승 에지와 하강 에지에서
50%인 두 점 사이의 시간
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1-2 2진 숫자, 논리레벨과 디지털 파형
파형의 특성
 주기 펄스
– 주기 펄스 : 일정한 간격으로 같은 파형이 반복
– 주파수 : 주기의 반복 율 단위, hertz(Hz)
– 주파수(f)와 주기 (T)사이의 관계 : f= 1/T
 듀티 사이클(duty cycle) = tw /T x 100%
– 주기에 대한 펄스 폭(tw)의 비를 100 분율로 나타낸 것
Volts
주기적인 파형(구형파)
Amplitude
(A)
Pulse width (tW)
Time
비주기적인 파형
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Period,
T
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1-2 2진 숫자, 논리레벨과 디지털 파형
2진 정보를 운반하는 디지털 파형
 클록 : 디지털 시스템에서 모든 파형은 기본 타이밍 파형과 동기
 한 비트 시간과 동일한 펄스 간격을 갖는 주기적인 파형
비트열의 파형과 동기화된 클럭 파형의 예
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1-2 2진 숫자, 논리레벨과 디지털 파형
타이밍 도(timing diagram)
여러 파형의 상호 시간 관계와 각 파형이 다른 파형들과 관련되어 어
떻게 변하는지를 나타내는 디지털 파형의 그래프
타이밍 도의 예
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1-2 2진 숫자, 논리레벨과 디지털 파형
데이터 전송
데이터란 어떤 형태의 정보를 전달하는 비트들의 그룹
컴퓨터로부터 모뎀으로 직렬 전송
되는 8-비트의 2진 데이터
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컴퓨터로부터 프린터로 병렬 전송
되는 8-비트의 2진 데이터
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1-3 기본 논리 연산
 기본 논리 연산자 : NOT, AND, OR
모든 입력이 HIGH일때만 출력은
HIGH.
입력들 중 어느 하나라도 HIGH이
면 출력은 HIGH
입력의 반대
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3 디지털 시스템의 특징
1)
디지털 시스템은 설계하기 쉽다
•
아나로그(진공관) 신뢰성 나쁨, 시스템 설계가 어려움
•
부울 대수 및 K-map 이용  회로의 간략화
•
디지털 시스템의 회로 간략화의 의미
① 경제성 (부품수량 감소)
② 시스템의 신뢰성 상승
③ 시스템의 수명(life time) 연장
④ 소비전력 감소
⑤ Simple한 시스템 구성
제1장 디지털 개념
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3 디지털 시스템의 특징
2)
정보 저장이 쉽다
•
대용량의 정보 저장 가능
3)
정확도와 정밀도가 높다
4)
동작은 프로그램화 될 수 있다
•
5)
활용도가 높음
디지털 회로는 잡음(Noise)에 대한 영향이 적다
•
6)
신호에 대한 오류가 감소
많은 디지털 회로 구성이 IC칩 상에서 제조될 수 있다
•
대량생산 가능 (경제성)
제1장 디지털 개념
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4 디지털 논리의 주요 기능 소개
1)
비교기
•
2)
두 수의 대소(작다, 크다, 같다) 비교
연산기(가산, 감산, 곱셈)
•
3)
Adder(가산기) : F•A[ Full Adder ], H•A[ Harf Adder ]
Encoder (부호기)
•
4)
10진수  2진수 : 디지털화
Decoder (해독기)
•
5)
2진수  10진수 : 아나로그화
Multiplexer (Mux)
•
6)
여러 개의 입력신호 중 어느 한 신호만 선택하여 보내거나 또 다른
프로세스로 넘기기 위한 선택기
DeMultiplexer (DeMux)
•
한 채널로 들어온 신호를 여러 군데에 브랜치로 뿌리기 위한 시스템
제1장 디지털 개념
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5 디지털 집적회로

집적회로의 장점
① 가격이 저렴하다
• 대량생산 가능하기 때문
② 크기가 작다 : 소형화
③ 소비전력이 줄어든다
④ 시스템의 크기가 작다
⑤ 수명이 길고 고장률이 낮다
→ 신뢰도 상승
⑥ 타 시스템과 연결이 쉽다 : 인터페이스 용이
제1장 디지털 개념
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시스템 개념
비교 기능
기본적인 크기 비교기
A가 B보다 작으면(2<5), 출력 A<B에
HIGH가 나타남.
산술 기능
기본적인 가산기
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A+B(3+9=12)
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시스템 개념
인코딩과 디코딩 기능
 계산기의 키 입력을 계산 또는 저장에 사용할 수 있도록 이진 코드로 변환시키
는 인코더
 2진 코드를 10진수 판독을 위해 7-세그먼트 표시기로 변환시키는 디코더
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시스템 개념
데이터 선택 기능
 멀티플렉서(multiplexer, MUX)
 디멀티플렉서(demultiplexer, DEMUX)
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시스템 개념
저장기능
 플립플롭 : 한번에 1이나 0중 한 비트만 저장할 수 있는 쌍안정(두 개의 안정상태)
논리 회로.
 레지스터 : 몇 개의 플립플롭을 결합하여 구성한 것.
 반도체 메모리 : ROM, RAM 등
자기 메모리 : HDD, FDD 등
4-비트 직렬 시프트 레지스터의 동작
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4-비트 병렬 시프트 레지스터의 동작
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시스템 개념
계수 기능
 디지털 카운터(counter)
 레벨 변화나 펄스로 표현되는 사건의 수를 계수
기본적인 카운터의 동작
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1-5 집적회로
집적회로
 모노리딕 집적회로(monolithic IC) : 한 개의 작은 실리콘 칩(chip)에 구현된 전자회
로. 이 회로는 트랜지스터, 다이오드, 저항, 캐패시터 등으로 구성
IC 패키지 ; PCB(printed circuit board)에 장착되는 방법에 따라 분류
쓰루-홀(through-hole) 삽입형 : DIP 패키지;
 표면 실장(surface mount)형 : 표면 실장 기술(surface-mount technology;SMT)
- SOIC(small-outline IC), PLCC(plastic leaded chip carrier), LCCC(leadless
ceramic chip carrier), FP(flat pack)
Pin 1
Dual in-line package
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Small outline IC (SOIC)
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1-5 집적회로
핀번호
End view
SOIC
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End view
PLCC
End view
LCCC
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1-5 집적회로
고기능 IC의 집적도 분류
 IC는 집적도에 따라 SSI(small-scale integration), MSI(medium-scale integration),
VLSI(veri large-scale integration), ULSI(ultra large-scale integration)등으로 분류
모든 집적회로는 바이폴라 접합 트랜지스터(bipolar junction transistor)와
MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)에 의해 구현.
 SSI(Small Scale Integration) : 하나의 칩에 최고 12개까지의 등가 게이트 회로가 포
함한 회로이며, 기본 게이트와 플립플롭 등이 이에 속한다.
 MSI(Medium Scale Integration) : 하나의 칩에 12~100개까지의 등가 게이트가 포함
된 회로이며, 인코더, 디코더, 카운터, 레지스터, 멀티플렉서, 산술 회로, 소형 메모리 등
이 이에 속한다.
 LSI(Large Scale Integration) : 하나의 칩에 100~10,000개까지의 등가 게이트를 포함
하는 복잡한 회로이며, 메모리 등이 이에 속한다.
 VLSI(Very Large Scale Integration) : 하나의 칩에 10,000~100,000개까지의 등가 게
이트를 가지는 복잡한 집적 회로이다.
 ULSI(Ultra Scale Integration) : 대용량의 메모리, 복잡한 마이크로프로세서, 복잡한
단일 칩 컴퓨터 등과 같이 하나의 칩에 100,000개 이상의 등가 게이트를 가진 복잡한 집
적 회로이다.
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1-6 시험 및 계측장비
오실로스코프

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시험 및 계측장비
오실로스코프
VERTICAL
CH 1
CH 2
HORIZONTAL
TRIGGER
BOTH
SLOPE
Ð
POSITION
POSITION
VOLTS/DIV
VOLTS/DIV
+
LEVEL
POSITION
SEC/DIV
SOURCE
CH 1
CH 2
5V
2 mV
5V
2 mV
5s
5 ns
EXT
LINE
COUPLING
COUPLING
AC-DC-GND
AC-DC-GND
TRIG COUP
DC
DISPLAY
PROBE COMP
5V
CH 1
CH 2
AC
EXT TRIG
INTENSITY
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시험 및 계측장비
디지털 멀티미터(DMM)
범용의 계측 장비로서 전압, 전류와 저항을 측정
0.01 V
OFF
V
Hz
V
mV
A
Range
Autorange
Touch/Hold
1s
1s
10 A
V
40 m A
COM
Fused
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프로그램가능한 논리소자 개요
프로그램가능한 논리소자의 종류
 종류 :
 PLD(programmable logic device)
 FPGA (field-programmable gate array)
 PLD: SPLD(simple PLD), CPLD(complex PLD)
 SPLD : 몇 개의 SSI 혹은 MSI 대신 사용,PAL, GAL, PLA, PROM 등
 CPLD : SPLD보다 집적도가 높음
 FPGA : 가장 집적도가 높으며, 프로그램 가능한 상호 연결, 입/출력
블록으로 구성
(a) PAL
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(b) GAL
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5 디지털 회로의 설계과정
회로 설계 (Circuit Level)
트랜지스터, 다이오드, 저항, 콘텐서 등의
부품 선정
논리 설계 (Logical Level)
논리 게이트를 작성하고 플립플롭 등의 부
품을 선정
시스템 설계 (Register Level)
가산기, 멀티플렉서, 디코더, 계수기, 레지
스터의 부품 선정
물리적 설계 (Process Level)
CPU, IOP, 기억장치, 입출력 장치 등의 부
품을 선정
기구 설계
자료를 입력시키려면 기억, 제어, 연산을
거쳐 일련의 결과를 출력하는 프로세스를
설계하는 것을 의미
제1장 디지털 개념
35
6 디지털 시스템 응용
7
8
9
4
5
6
1
2
.
3
0
77
디코더
A
인코더
DISPLAY
DISPLAY
7-세그먼트
#
770
코드
입력장치
(keypad)
레지스터
변환기
A
A
비교기
A
제어
밸브
A=B
B
코드
카운터
변환기
Adder
센서
A

B
cOut
B
디코더
B
레지스터
B
Conveyor sys
MUX
770
디코더
레지스터
C
C
DEMUX
원격지
DISPLAY
제1장 디지털 개념
36
1장 요약

디지털과 아날로그 양, 기본적인 차이점
 디지털 양이 전압 레벨로 표현하는 방법
 펄스 파형에 관련한 정의
 기본적인 논리 연산자와 기본적인 논리연산
 논리 기능
 집적회로, 기본적인 패키지와 형태
 계측기, 고장진단을 위한 측정 방법
 프로그램 가능한 논리소자
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