게이트, 컴퓨터를 구성하는 기본 단위

목차

게이트의 정의

우리가 전구와 스위치를 이용한 회로를 살펴본 이유에 대해 의아해할 수 있습니다. "컴퓨터에 대해 이야기하면서 왜 전구와 스위치, 그리고 회로인가?"라고 생각할 수 있죠. 이 모든 이야기의 핵심은 바로 컴퓨터의 기본 요소와 밀접한 관련이 있다는 데 있습니다. 이 기본 요소는 우리가 살펴본 전구와 스위치 시스템과 유사하게 작동합니다.

이 기본 요소는 전류가 흐를 수 있는 세 개의 경로를 가진 간단한 장치입니다. 두 개의 경로는 장치로 들어오는 '입력' 경로이며, 한 개는 장치에서 나가는 '출력' 경로입니다.

입력 경로는 외부에서 장치로 전류가 들어오기 때문에 그렇게 불립니다. 반면, 출력 경로는 장치 내부의 전류가 외부로 나가기 때문에 이런 이름이 붙었습니다.

이 장치는 비트를 처리하는 데 사용됩니다. 각 입력에 비트 하나씩을 할당하면, 이 장치는 두 비트의 상태를 분석하여 출력 비트가 켜질지, 꺼질지를 결정합니다.

 

직렬 스위치와 AND 게이트

직렬로 연결된 스위치 회로를 다시 생각해보면, 이 장치는 매우 일관된 방식으로 출력을 결정합니다. 모든 입력이 켜져 있으면 출력도 켜집니다. 하나라도 꺼져 있으면 출력은 꺼집니다.

 

일반적인 가정에서는 한 스위치가 하나의 전등을 제어하지만, 컴퓨터에서는 전등을 켜기 위해 두 스위치가 필요하며, 모두 내려야 합니다. 스위치 중 하나만 올려도 전등이 꺼질 수 있습니다. 이러한 연결 방식을 이해한다면, 컴퓨터 내부에서 모든 것이 어떻게 작동하는지 이해하는 데 한걸음 더 다가갈 수 있습니다.

이 장치, 즉 '게이트'는 컴퓨터를 구성하는 유일하고 필수적인 부품입니다. 충분한 수의 게이트만 있다면 어떠한 컴퓨터도 구축할 수 있습니다. 게이트의 단순함에도 불구하고, 이를 통해 완전한 컴퓨터를 만들 수 있다는 것은 놀라운 일입니다. 컴퓨터는 궁극적으로 이러한 게이트들을 다양하게 조합하여 만들어진 장치라고 할 수 있습니다.

게이트라는 명칭은 물이나 사람이 드나드는 문과 비슷한 역할을 한다는 점에서 비롯된 것 같습니다. 논리 게이트는 전류의 흐름을 제어하여 논리적 연산을 수행하는 매우 기본적인 역할을 합니다.

AND 게이트 기호를 사용하여 위의 그림을 다음과 같이 그릴 수 있습니다.

 

 

 

 

그림을 통해 본 직렬 연결에서는 상단 스위치와 하단 스위치가 모두 닫혀 있을 경우에만 전구가 켜지는 구조입니다. 이러한 동작 원리 때문에 이 구성을 AND 게이트라고 부르는 것입니다. AND 게이트의 입력이 반드시 스위치일 필요는 없으며, 그 출력이 전구에 연결될 필요도 없습니다. 중요한 것은 입력으로 주어진 전압과 그 결과로 나오는 출력 전압입니다. 예를 들어, 한 AND 게이트의 출력이 다른 AND 게이트의 입력으로 연결될 수 있습니다.

 

이 경우, 전구는 세 개의 스위치가 모두 닫히면 켜지는 구성입니다. 상단의 두 스위치가 닫히면 첫 번째 AND 게이트가 활성화되어 그 출력이 두 번째 AND 게이트의 첫 번째 입력을 제공합니다. 하단의 스위치는 두 번째 AND 게이트의 두 번째 입력을 활성화합니다.

전압이 없는 상태를 0으로, 전압이 있는 상태를 1로 간주할 때, AND 게이트의 작동 결과는 입력된 전압에 따라 다음과 같이 결정됩니다.

 

AND 게이트의 작동 원리는 스위치가 직렬로 연결된 경우와 유사하게 간단한 표로 요약할 수 있습니다.