컴퓨터는 어떻게 기억할까요?

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컴퓨터는 어떻게 기억할까요?

컴퓨터 메모리의 기본 동작 원리 이해하기

목차

  1. 소개
  2. 메모리란 무엇인가요?
  3. 반전 트리거
  4. 데이터 래치
    • 4.1 세트 리셋 래치(SR 래치)
    • 4.2 데이터 래치
  5. 클록 신호
    • 5.1 클록 동기화
    • 5.2 에지 트리거된 데이터 플립플롭
  6. 1비트 레지스터
    • 6.1 1비트 레지스터 예제
  7. 4비트 레지스터
    • 7.1 4비트 레지스터 예제
  8. 저장장치의 한계와 해결책

안녕하세요! 컴퓨터 작동 원리에 대해 조금씩 배우며 있습니다. 최근에 비디오에서 이진법으로 숫자를 표현하고 간단한 논리 게이트를 사용하여 덧셈과 뺄셈을 실현하는 방법을 살펴봤어요. 그런데, 오늘은 실제로 컴퓨터가 작업 중인 숫자를 어떻게 기억하는 것일까요? 그래서 인터넷에서 찾은 이 작은 다이어그램을 따라 간단한 회로를 만들어보았습니다. 이 붉은 전선을 연결하면 불이 켜집니다. 그런데, 재미있는 점은 전선을 다시 뽑아도 불이 켜진 상태로 유지된다는 점입니다. 왜일까요? 그리고 다른 전선을 사용하여 불을 다시 끌 수도 있으니까요. 이 두 개의 전선은 회로의 '세트' 및 '리셋' 입력으로 생각할 수 있습니다. 이제 시뮬레이션 프로그램으로 돌아가서 덧셈과 뺄셈이 작동하는 동안 앞선 미스터리한 메모리를 만들어보겠습니다. 우리는 '세트' 및 '리셋' 두 개의 입력 신호를 가지고 있는 SET 논리 게이트, RESET 논리 게이트 및 AND 논리 게이트를 사용해야합니다. SET 입력은 OR 논리 게이트로 이동하고, RESET 입력은 반전되어 AND 논리 게이트에 들어갑니다. 두 논리 게이트의 결과가 AND 게이트에 연결되면 출력 신호가 되며, 이 출력 신호는 OR 게이트의 다른 입력으로 들어갑니다. 이것을 보면 어떤 동작을 하는지 알 수 있습니다. SET 신호를 켜면 OR 게이트가 켜지고 이는 AND 게이트를 켜게 하고, 이제 출력이 켜집니다. 물론 이로 인해 OR 게이트의 다른 입력도 켜지므로 SET 신호를 꺼도 출력은 켜져 있습니다. 출력을 변경하려면 리셋 신호를 사용해야합니다. 그렇다면 리셋 신호를 켜 볼까요? 이 신호는 반전되므로 AND 게이트의 입력이 꺼지고 출력도 꺼집니다. 이제 리셋 신호를 꺼도 출력은 꺼져 있습니다. 이 작은 회로를 Set-Reset 래치(SR 래치)라고합니다.

다른 방식으로는 사실 상당히 흥미로운 래치를 구성해 볼 수 있습니다. 그러기 위해서는 새로운 빌딩 블록이 필요한데, 그것은 OR 게이트와 NOT 게이트가 연속되어 있는 NOR 게이트입니다. 여기에 두 개의 NOR 논리 게이트가 사용되며, 첫 번째 NOR 게이트의 출력이 두 번째 NOR 게이트의 입력으로 전달됩니다. 이를 만들기 위해, 당연히 레지스터로 연결해야 하고, 입력 및 출력 신호도 연결해야합니다. 이렇게 하면 불이 켜집니다. 이 신호가 회로를 LOCK하는 것으로 생각할 수 있으며, 사용자가 set 신호를 끄더라도 출력은 계속 켜져 있습니다. 또한, 이 작업은 실제로 간단해 보이지만 머리 속에서 그 무엇이 일어나고 있는지 이해하는 데 조금 시간이 걸릴 수 있습니다.

하지만 이 작업이 실제 동작하는지 확인하기 위해 시뮬레이션에서 만든 작은 SR 래치를 사용해보기로 했습니다. 그리고 실제로 작동하는 지 확인할 겸 회로에 빵판을 사용해봅니다. 하지만 ASSERT라는 논리 게이트, NAND 논리 게이트 또는 NOT 논리 게이트는 없어봤나요. 그런데 NAD 칩이 조금 있다고 합니다만, 시뮬레이션에서와 같은 설정을 하는 데 모두 넣기 위해서는 약간의 조정이 필요합니다. Q 칩을 사용하여 NAND 게이트를 만들기로 했습니다. 그리고 이 것을 신속하게 테스트하겠습니다. 이제 이 작은 칩 마다 4개의 NAND 게이트가 안에 있으며, 이를 이렇게 상상해볼 수 있습니다. 물론 간소한 시뮬레이션과는 달리 실제로 실행되려면 모든 것이 작동하기 위해 전원 및 GND에 연결되어야 합니다.

그렇다면 본격적으로 회로를 연결해봅시다. 첫 번째 칩에는 3개의 NAND 게이트를 사용하고, 두 번째 칩에는 2개를 사용합니다. 하지만 편의를 위해 두 개의 칩을 사용하기로 했습니다. 왼쪽에 있는 작은 불은 STORE 신호를 나타내고, 데이터 신호는 이쪽에 있으며, 다른 쪽 끝에는 출력 신호가 있습니다. 그리고 현재 모두 0입니다. 버튼을 누르면 데이터 신호에 1이 들어갈 수 있습니다. 그런데 예상대로라면 STORE 신호가 켜져야만 출력이 바뀔 것입니다. 그래서 지금 STORE 신호를 켜고, 다음으로 CLOCK이 켜질 때까지 기다리면 출력이 1로 변경되었음을 볼 수 있습니다. 그리고 버튼을 놓으면 여전히 값을 변경해도 출력에는 영향을 주지 않습니다. 마지막으로 데이터를 0으로 설정하면 STORE 신호를 다시 켜고, 출력이 0으로 변경되었음을 볼 수 있습니다.

이제 우리는 메모리의 기본적인 구성 요소인 래치를 만들었습니다. 이제 여기서 출발하여 컴퓨터의 랜덤 액세스 메모리를 구축하기 위해 확장해 보겠습니다. 다음 에피소드에서 만나 뵙겠습니다. 감사합니다!

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