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이번에는 래치(Latch)와 플립플롭(Flip-flop1))에 대해서 알아보겠다.

회로에서 래치와 플립플롭은 1bit의 신호를 저장하기 위해 사용한다.

이게 무슨 말이냐면 어떤 신호가 회로에 공급되어 흐르다가 신호가 끊어지게 되면 그 신호를 잃게 되는데

래치와 플립플롭은 그 신호를 계속 유지한다는 것이다.

래치와 플립플롭의 차이는 클럭 신호의 유무로 구분한다. 클럭 신호를 사용하는 이유는 입력 신호의 동기화를 위한 것이다.

플립플롭은 래치의 입력에다가 클럭 신호를 논리 곱 하여, 둘 다 신호가 ON되었을 때만 동작하도록 설계한다.

결국 플립플롭을 만드려면 래치에 클럭 신호를 추가하여 입력 신호와 함께 논리 곱 게이트를 통과시키면 되는 것이니

래치와 플립플롭의 구조는 똑같다고 보면 된다. 따라서 이 글에서는 래치 혹은 플립플롭 하나씩만을 다루도록 하고

필요할 경우 클럭 신호 입력 단자를 만들거나 제거해서 플립플롭 혹은 래치로 사용하라.

이번에 다루게 될 래치는 SR 래치, T 래치, D 플립플롭, JK 래치 이다.

1. SR 래치(Set-Reset Latch, SR Latch)

- SR 래치는 S(Set)과 R(Reset) 두 개의 입력단자를 갖고 Q와 Q'(Q의 보수)의 출력단자를 가지고 있다. 두 개의 부정 논리 합 게이트를 교차 피드백시켜서 구성한다. S에 신호가 입력되면 1, R에 신호가 입력되면 0의 출력 값(Q)을 출력하도록 한다.

위 회로를 보아 Q의 논리식은 다음과 같다.

Q = ( R + Q' )' = ( R + ( S + Q )' )' = R'ㆍ( S + Q )

S = 0, R = 0 이면

Q = 1ㆍ( 0 + Q ) = 1ㆍQ = Q, 즉 Q는 이전의 Q값을 유지한다.

S = 0, R = 1 이면

Q = 0ㆍ( 0 + Q ) = 0ㆍQ = 0, 즉 Q는 이전의 값에 상관없이 0 이 된다.

S = 1, R = 0 이면

Q = 1ㆍ( 1 + Q ) = 1ㆍ1 = 1, 즉 Q는 이전의 값에 상관없이 1 이 된다.

S = 1, R = 1 이면

Q = 0ㆍ( 1 + Q ) = 0ㆍ1 = 0, 즉 Q는 이전의 값에 상관없이 0 이 된다.

Q'의 논리식은 다음과 같다.

Q' = ( S + Q )' = ( S + ( R + Q' ) )' = S'ㆍ( R + Q' )

S = 0, R = 0 이면

Q' = 1ㆍ( 0 + Q' ) = 1ㆍQ' = Q', 즉 Q'는 이전의 Q'값을 유지한다.

S = 0, R = 1 이면

Q' = 1ㆍ( 1 + Q' ) = 1ㆍ1 = 1, 즉 Q'는 이전의 값에 상관없이 1 이 된다.

S = 1, R = 0 이면

Q' = 0ㆍ( 0 + Q' ) = 0ㆍQ' = 0, 즉 Q'는 이전의 값에 상관없이 0 이 된다.

S = 1, R = 1 이면

Q' = 0ㆍ( 1 + Q' ) = 0ㆍ1 = 0, 즉 Q'는 이전의 값에 상관없이 0 이 된다.

정리하면,

S     R     Q     Q'      State

-------------------------------

0     0     Q     Q'  No change

0     1     0     1       Reset

1     0     1     0         Set

1     1     0     0   Undefined

여기서 문제가 발생한다. Q와 Q'가 보수 관계에 있어야 하는데 S와 R이 모두 1인 경우에는 Q와 Q' 둘 다 0이 된다.

따라서 SR 래치는 이 정의되지 않은 입력을 가해서는 안된다는 단점이 있다.

이 회로를 마인크래프트에서 똑같이 만들어 보았다.

이것이 기본적인 SR 래치의 모델이다.

그러나 마인크래프트에서 이런 SR 래치는 잘 쓰지 않는다. 왜냐하면 축소형 모델이 존재하기 때문이다. 크기는 작으나 이 역시 훌륭한 SR 래치이기 때문에 굳이 저 회로를 만들지 않아도 된다.

축소형 모델 1

축소형 모델 2, 각도 때문에 가려졌지만 중계기가 향하는 방향에 놓인 블럭 뒤편에 레드스톤 횃불이 달려 있다. 그리고 그 레드스톤 횃불에서 나오는 신호가 바로 Q 이다. 

2. T 래치(Trigger Latch, T Latch)

- T 래치는 SR 래치의 확장 개념이라고 할 수 있다. T 래치는 T 신호 하나로 S와 R의 신호를 번갈아가며 입력되게 한다. 그러기 위해 두 개의 논리 곱 게이트를 추가 하였다. SR 래치의 정의되지 않은 입력 문제를 해결하기 위해 고안되었다.

위 회로를 보아 Q의 논리식은 다음과 같다.

Q = R'ㆍ( S + Q ) = ( Tㆍ​Q )'ㆍ( ​TㆍQ'​ + Q )

T = 0 이면

Q = ( 0ㆍ​Q )'ㆍ( 0ㆍ​Q' + Q ) = 0'ㆍQ = 1ㆍ​Q = Q, 즉 Q는 이전의 Q값을 유지한다.

T = 1 이면

Q = ( 1ㆍ​Q )'ㆍ( 1ㆍ​Q' + Q ) = Q'ㆍ( Q' + Q ) = Q'ㆍ1 = Q', 즉 Q는 이전의 Q'값이 된다.

Q'의 논리식은 다음과 같다.

​Q' = S'ㆍ( R + Q' )​ = ( T​ㆍQ' )'ㆍ​( Tㆍ​Q + Q' )​

T = 0 이면

Q' = ( 0ㆍQ' )'ㆍ​( 0ㆍ​Q + Q' ) = 0'ㆍ​Q​' = 1ㆍQ' = Q', 즉 Q'는 이전의 Q'값을 유지한다.

T = 1 이면

Q' = ( 1ㆍ​Q' )'ㆍ​( 1ㆍ​Q + Q' ) = (Q'​)'ㆍ( Q + Q' )​ = Qㆍ1 = Q​, 즉 Q'는 이전의 Q값이 된다.

정리하면,

T     Q     Q'      State

-------------------------

0     Q     Q'  No change

1     Q'    Q      Toggle

Q = 1 이면 논리 곱 게이트에 피드백 되는 신호가 위 아래 각각 1, 0 이 되고, Q' = 1 이면 각각 0, 1 이 된다. 이 때 T의 신호가 입력 되면 피드백 신호가 1인 논리 곱 게이트의 출력만 1이 되므로 S와 R에 번갈아 신호를 입력하는 결과가 된다. Q는 이전의 Q'로 Q'는 이전의 Q가 되므로 서로 교대로 ON/OFF 되는데, 이런 상태를 Toggle 이라고 부른다.​ T의 신호가 OFF되면 S와 R이 모두 0인 상태가 되므로 그 상태로 멈추게 될 것이다.

시간에 따른 각 입력 신호를 그래프로 그려 보았다. T가 ON 상태면 한 번은 S, 또 한 번은 R을 번갈아 가며 신호가 전달되는 것을 보기 좋게 표현한 것이다. 이렇게 하면 보는 바와 같이 S와 R이 모두 1인 경우가 발생하지 않는다. 그리고 그림에서 처럼 T의 신호를 SR 래치의 신호 주기보다 짧게 가하면 한 번은 S, 한 번은 R에 신호를 저장할 수 있다. 따라서 T의 신호를 짧게 변환시켜서 ON/OFF 순환 제어가 가능하다. 그것에 대해서는 나중에 다루도록 하겠다.

이런식으로 SR 래치에 논리 곱 게이트 두 개를 더해 연결한다. 축소형 SR 래치에 연결해도 상관 없다.

이것은 피스톤을 이용한 T 래치이다. 레드스톤 블럭이 피스톤에 의해 좌우로 밀려나는 것을 이용한 것이다. T = 1일 때 무한 발진하는 위의 회로와는 다르게 이 피스톤 T 래치는 입력 신호의 폴링 엣지(Falling Edge)2)​​에만 동작한다. 따라서 입력 신호 T가 길든 짧든 상관없이 한 번만 Toggle하게 된다. 일종의 버그성 작품인데 굉장히 크기가 작아 유용하게 쓰인다. 폴링 엣지의 단점은 필연적으로 회로의 응답속도3)도 느려진다는 것이다.

버튼과 같은 순간 신호를 발생시키면 신호가 OFF에서 ON이 되었다가 다시 OFF가 된다. 즉 ON 상태가 지속되는 동안 동작이 이루어지지 않고 있다가 ON에서 OFF로 다시 돌아올 때 비로소 동작하게 된다. 이것을 해결하기 위한 방법은 입력을 논리 부정 게이트를 거쳐서 파형을 뒤집어주는 방법이 있다. 그러면 입력의 라이징 엣지(Rising Edge)4)에서 T 래치가 동작한다.

3. D 플립플롭(Data Flip-flop, D Flip-flop)

- D 플립플롭은 4개의 부정 논리 합 게이트를 사용하여 구성한다. 입력 단자 D에서 오는 신호를 클럭 신호 C가 인가될 때 Q로 출력하는 형식이다.

위 회로를 보아 Q의 논리식은 다음과 같다.

Q = R'ㆍ( S + Q ) = ( ( D + C' )' )'ㆍ​( ( D' + C' )' + Q ) = ( D + C' )ㆍ( Dㆍ​C + Q )​

D = 0, C = 0 이면

Q = ( 0 + 1 )ㆍ​( 0ㆍ0 + Q ) = 1ㆍ​Q = Q, 즉 Q는 이전의 Q값을 유지한다.​

D = 0, C = 1 이면

Q = ( 0 + 0 )ㆍ​( 0ㆍ1 + Q ) = 0ㆍ​Q = 0, 즉 Q는 이전의 값에 상관없이 0​ 이 된다.

D = 1, C = 0 이면

Q = ( 1 + 1 )ㆍ​( 1ㆍ0 + Q ) = 1ㆍ​Q = Q, 즉 Q는 이전의 Q값을 유지한다.​

D = 1, C = 1 이면

Q = ( 1 + 0 )ㆍ( 1ㆍ​1 + Q ) = 1ㆍ​1 = 1,​ 즉 Q는 이전의 값에 상관없이 1 이 된다.

Q'의 논리식은 다음과 같다.

Q' = S'ㆍ( R + Q' )​ = ( ( D' + C' )' )'ㆍ( ( D + C' )' + Q' ) = ​( D' + C' )ㆍ( D'ㆍ​C + Q' )​

D = 0, C = 0 이면

Q = ( 1 + 1 )ㆍ​( 1ㆍ0 + Q' ) = 1ㆍ​Q' = Q', 즉 Q'는 이전의 Q'값을 유지한다.​

D = 0, C = 1 이면

Q = ( 1 + 0 )ㆍ​( 1ㆍ1 + Q' ) = 1ㆍ1 = 1, 즉 Q'는 이전의 값에 상관없이 1​ 이 된다.

D = 1, C = 0 이면

Q = ( 0 + 1 )ㆍ​( 0ㆍ0 + Q' ) = 1ㆍ​Q' = Q', 즉 Q'는 이전의 Q'값을 유지한다.​

D = 1, C = 1 이면

Q = ( 0 + 0 )ㆍ( 0ㆍ​1 + Q' ) = 0ㆍ​Q' = 0,​ 즉 Q'는 이전의 값에 상관없이 0 이 된다.

정리하면,

D     C     Q     Q'      State

-------------------------------

0     0     Q     Q'  No change

0     1     0     1       Reset

1     0     Q     Q'  No change

1     1     1     0         Set 

D가 0일 때 클럭 신호 C가 1이 되면 Q가 0이 되고, D가 1일 때 클럭 신호 C가 1이 되면 Q가 1이 된다.

즉 D의 값을 그대로 Q에 저장하는 것이라고 보면 된다. 따라서 출력 Q의 신호 저장시간은 클럭 신호가 들어온 후 다음 클럭 신호가 들어오기 전까지라고 생각하면 된다. 이 성질을 이용하여 신호를 지연 및 저장시킬 수 있다. 클럭 신호 C를 계속 1상태로 지속시켜 놓으면 바로바로 D값이 Q값에 저장된다.

이론상 저렇게 구성할 수 있으나 이것 역시 축소형이 존재한다.

대표적인 평면 디자인이다.
 

 

대표적인 수직 디자인이다. 커서가 가리키고 있는 블럭 오른쪽에 레드스톤 횃불이 달려 있고, 그 오른쪽 위 블럭의 왼쪽에도 달려 있다. Q'의 부분에는 레드스톤이 3개 나란히 뿌려져 있다. D라고 적힌 블럭 위에는 레드스톤이 없다.

4. JK 래치(J-K Latch)

- JK 래치 역시 SR 래치의 확장 개념이라고 할 수 있다. SR 래치의 정의되지 않은 입력 문제를 해결하기 위해 고안되었다. JK 래치는 J와 K의 입력을 갖되 SR 래치와는 다르게 J = K = 1 의 상태에서도 동작이 가능하도록 설계되었다.

T 래치와 비슷하지만 입력이 J와 K로 두 가지이다. 논리식을 작성해보자,

Q = R'ㆍ( S + Q ) = ( KㆍQ )'ㆍ( JㆍQ' + Q ) = ( K' + Q' )ㆍ( JㆍQ' + Q )

J = 0, K = 0 이면,

Q = ( 1 + Q' )ㆍ( 0ㆍQ' + Q ) = 1ㆍQ = Q, 즉 이전의 Q값을 유지한다.

J = 0, K = 1 이면,

Q = ( 0 + Q' )ㆍ( 0ㆍQ' + Q ) = Q'ㆍQ = 0, 즉 이전의 값에 상관없이 Q = 0 이 된다.

J = 1, K = 0 이면,

Q = ( 1 + Q' )ㆍ( 1ㆍQ' + Q ) = 1ㆍ1 = 1, 즉 이전의 값에 상관없이 Q = 1 이 된다.

J = 1, K = 1 이면,

Q = ( 0 + Q' )ㆍ( 1ㆍQ' + Q ) = Q'ㆍ1 = Q', 즉 이전의 Q'값이 된다.

마찬가지로 Q'의 논리식은

Q' = S'ㆍ( R + Q' ) = ( JㆍQ' )'ㆍ( KㆍQ + Q' ) = ( J' + Q )ㆍ( KㆍQ + Q' )

J = 0, K = 0 이면,

Q' = ( 1 + Q )ㆍ( 0ㆍQ + Q' ) = 1ㆍQ' = Q', 즉 이전의 Q'값을 유지한다.

J = 0, K = 1 이면,

Q' = ( 1 + Q )ㆍ( 1ㆍQ + Q' ) = 1ㆍ1 = 1, 즉 이전의 값에 상관없이 Q' = 1 이 된다.

J = 1, K = 0 이면,

Q' = ( 0 + Q )ㆍ( 0ㆍQ + Q' ) = QㆍQ' = 0, 즉 이전의 값에 상관없이 Q' = 0 이 된다.

J = 1, K = 1 이면,

Q' = ( 0 + Q )ㆍ( 1ㆍQ + Q' ) = Qㆍ1 = Q, 즉 이전의 Q값이 된다.

정리하면,

J     K     Q     Q'      State

-------------------------------

0     0     Q     Q'  No change

0     1     0     1       Reset

1     0     1     0         Set

1     1     Q'    Q      Toggle

위와 같이 J = K = 1 일 때도 Q와 Q'의 값이 보수 관계이므로 정의에 위배되지 않기 때문에 이 입력값을 사용할 수 있다. 

*요약

1. SR 래치 - Set과 Reset으로 1bit의 신호를 저장하는 회로

2. T 래치 - T신호로 Set과 Reset을 번갈아 반복하는 회로

3. D 플립플롭 - 클럭이 인가되는 동안 D신호를 Set하는 회로

4. JK 래치 - SR 래치와 유사하나 Set과 Reset 모두 신호가 주어졌을 때도 Toggle로써 동작하는 회로

출처 : http://miniskirtzia.blog.me/220054685053

Sink current

부하측에서 전원쪽으로 거꾸로 흘러 들어가는 전류. 일반적으로 전원은 부하로 전류(source current)를 공급하는 장치이나 동작에 따라서는 부하측에서 전원 방향으로 전류가 거꾸로 흘러 들어 가기도 하는데 이러한 전류가 정상 동작일 수도 있지만 때로는 과도한 전류로 전원이 제어 능력을 상실해 고장을 일으키는 원인이 될 수도 있다. 집적회로에서는 출력을 통하여 제공되는 전류의 양을 의미한다. 

어떠한 출력이 있는데 이출력에서 +든,-든 전압이 나오는 것을 SOURCE라고 하고
출력이 GND 상태로 되어 외부의 전원을 받아들이는 것을 SINK라고 합니다. 
다시 말해 출력이 1(+5)인 상태라면 SOURCE라고 하고 
반대로 출력이 0(GND)인 상태에서는 SINK라고 합니다.

그리고 대부분 IC는 SOURCE보다 SINK 전류가 높습니다. 그래서 SINK로 구동하는 것이 유리하죠. 
즉 LED를 켠다고 할때 "출력 - 저항 - LED - GND " 로 연결하는 것보다
"+5V - 저항 - LED - 출력 " 이렇게 연결하여 켜는 것이 유리합니다. 
물론 SOURCE 인경우는 1인 상태에서 켜지고 SINK인 경우는 0에서 켜지므로 논리적으로는 반대가 되죠. 

Source current

sink current와 반대

출처 : http://blog.naver.com/ahinoam75/40017806130

펌웨어란

특히 정보통신 관련 기기들의 경우, 하루가 다르게 기술이 변화, 발전하는 통에 늘 최신 제품을 보유하고 있기란 쉽지 않은 것이 현실입니다. 그렇다고 업그레이드된 새 제품을 매번 구입할 수도 없는 노릇이고요. ‘펌웨어 업그레이드’는, 바로 이런 불편함을 해소시켜주는 서비스입니다.

‘펌웨어’는 ‘펌 소프트웨어’의 줄임말로, 쉽게 소프트웨어와 하드웨어의 중간 형태로 생각할 수 있습니다. 일반 소프트웨어는 사용자가 직접 컴퓨터의 하드디스크에 설치했다가 지우는 방식인데 반해, 펌웨어는 마치 하드웨어처럼 공장에서 나올 때부터 제품의 일부로 포함되어 있습니다. 그래서 부드럽다는 뜻의 soft도 아니고, 딱딱한 hard도 아닌 그 중간 개념의 단단한 ‘firm’이란 용어를 쓰고 있습니다. 즉, ‘펌웨어 업그레이드’란, 새로운 버전의 펌웨어를 다운로드 받아, 기존제품을 업그레이드 하는 겁니다. 

임베디드와 펌웨어의 차이점



임베디드나 펌웨어 궁극적으로는 둘다 작은 시스템 내에 하드웨어 제어를 위해 eeprom 등에 기록 되는 일종의 프로그램입니다. 거의 같다라고 봐도 무방하겠죠..


하지만 근래 들어서 시스템의 복잡화로 인해 기존의 펌웨어를 제작할 때 사용되는 프로그래밍 방식 '슈퍼루프 방식'은 프로그래머의 체계적인 프로그램 설계와 짜임세 있는 구성이 프로그래머를 피곤하게 할 만큼 복잡하게 되었습니다.

이에 대한 대안으로서 나온것이 RTOS라는 것인데.. 롬에 기록되는 펌웨어 중에서도 특히 이런 RTOS를 이용한 것을 임베디드(내장형 시스템)라 칭하는 경우가 많습니다. RTOS를 사용하게 되면 롬에 기록되어야 할 펌웨어의 크기가 커지고, 시스템 오버해드라 하여 불필요한 부하를 가져다 주게 됩니다. 하지만, 펌웨어 개발의 융통성과, 안정성, 정확성을 고려할 때 펌웨어의 크기나 시스템 오버해드는 충분이 무시할 수 있는 요소가 됩니다.

RTOS를 이용한 임베디드 시스템은 꼭 ARM같이 거대한 프로세서에만 사용되는 것은 아닙니다. 상당히 유명한 uCOS-II경우 구식 8051부터 인텔32비트까지 다양한 플랫폼을 지원합니다. 8051계열에도 얼마든지 임베디드 시스템을 펌웨어로 올릴 수 있지요... 

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펌웨어는 일반적으로 롬(ROM)에 저장된 하드웨어를 제어하는 마이크로 프로그램을 의미한다. 프로그램이라는 관점에서는 소프트웨어와 동일하지만 하드웨어와 밀접한 관계를 가지고 있다는 점에서 일반 응용소프트웨어와 구분되어 펌웨어는 소프트웨어와 하드웨어의 특성을 모두 가지고 있다고 할 수 있다.


예를 들어 어떤 기능을 발휘하는 하드웨어를 만든다고 할 때, 그것을 제어하는 모든 회로를 하드웨어로만 만들면, 그 구조도 대단히 복잡해지고 심지어는 논리적인 표현을 하기가 어려운 부분도 발생한다. 

이런 경우 상당부분을 소프트웨어로 대체하되 그 소프트웨어가 저장된 기억장치를 하드웨어의 제어 회로중의 중심부분으로 구성하면, 매우 간단하면서도 적은 비용으로 문제를 해결할 수 있게 된다. 이렇게 만든 하드웨어적인 소프트웨어를 펌웨어라 한다.


이렇게 할 경우 하드웨어의 입장에서는 별도의 논리회로를 가진 것이 아니기 때문에 소프트웨어적인 특성을 가지고 있지만, 소프트웨어 입장에서는 마이크로 프로그램이 하드웨어를 제어하기 때문에 하드웨어적인 특성을 가진다고 설명할 수 있다.


소프트웨어의 기능을 펌웨어로 변경할 수 있으면 속도가 현저하게 증대되어 고속 처리가 필요한 프로그램은 펌웨어로 만들어 사용하기도 한다. 또한 하드웨어의 기능을 펌웨어로 변경하면 속도는 느려지지만, 그 기능을 위한 논리 회로를 설계하여 사용하는 것 보다 저렴하고, 편리하게 구현하여 사용할 수 있는 장점을 가지기도 한다. 

출처 : http://haeggongs.tistory.com/69