[밑바닥부터 만드는 컴퓨팅] 프로젝트01 논리게이트 제작
개요
해당 내용은 ‘밑바닥부터 만드는 컴퓨팅 시스템’ 책의 프로젝트 01 의 내용을 정리하려 합니다. 혹시나 따라하실 분은 실습준비 포스팅을 참고해서 프로그램을 다운받아주시면 됩니다.
프로그램 실행
다운받은 프로그램에서 HardwareSimulator.bat 를 실행해줍니다.
UI에서 보이는 화면 중 각 표시한 버튼은 아래와 같습니다.
- ① : hdl 파일을 로드합니다.
- ② : 스크립트를 실행합니다.
- ③ : 스크립트를 로드합니다.
게이트 제작
Not 게이트 제작
처음에는 Nand 게이트만 지원합니다. Nand게이트의 진리표는 아래와 같습니다. (And의 반대입니다)
| a | b | out |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
우리는 이 게이트를 시작으로 하여 모든 게이트를 제작하는 것을 목표로 합니다.
가장 먼저 Not 게이트를 만들어보려 합니다. Not 게이트의 진리표는 아래와 같습니다.
| in | out |
|---|---|
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
Not은 입력된 비트를 반전시켜줍니다. Nand로 Not를 어떻게 구성할지 생각해보았을 때 Nand의 진리표를 잘 보면 a와 b에 같은 값을 입력하였을 때 반대되는 값이 나오는 것을 보실 수 있습니다.
이제 이것을 HDL로 작성해주면 됩니다. 저도 이번에 HDL이라는 언어를 처음 접해보았는데, 자세히는 모르지만 게이트를 구현할 수준으로는 작성하는데 어렵지 않습니다.
우선 projects\01 경로로 이동합니다.
해당 경로에 많은 파일들이 있습니다.
확장자별로 다음과 같은 역할을 합니다.
- hdl : 우리가 작성해서 할 파일
- tst : 작성한 hdl을 테스트하기 위한 스크립트
- cmp : 출력된 결과를 비교하기 위한 파일
우선 텍스트편집기를 통해 not.hdl 파일을 열어줍니다.
CHIP Not {
IN in;
OUT out;
PARTS:
// Put your code here:
}
위와 같은 부분이 있는데, PARTS: 아래의 부분에 코드를 작성하야 합니다. 현재 사용할 수 있는 칩은 Nand 뿐입니다. 위에서 설명한대로 hdl 코드를 작성해보도록 하겠습니다.
Nand는 a와 b를 입력받고 out으로 출력합니다. 우리가 구현하려는 Not 은 in으로 입력받고 out 으로 출력합니다.
hdl 코드를 아래와 같이 작성해줍니다.
CHIP Not {
IN in;
OUT out;
PARTS:
// Put your code here:
Nand(a=in, b=in, out=out);
}
위의 코드는 in 변수를 입력받고 out 변수에 출력값을 써야합니다.
작성된 Nand 부분의 코드는 다음과 같습니다 .
Nand의 입력인 a와 b에는 in을 입력하고, 출력인 out에는 out을 입력해줍니다.
마지막의 out=out 이조금 햇갈릴 수 있는데, =을 기준으로 왼쪽의out은 Nand에서 출력하기 위해 입력받는 부분이고,
오른쪽의 out은 출력된 값을 저장하는 변수입니다.
위의 HDL을 게이트 회로로 표현하면 다음과 같습니다.
이제 제작한 게이트를 프로그램을 통해 로드한 후 테스트를 해보도록 합시다.
UI에서 hdl 로드 및 스크립트를 로드합니다.
Not.hdl 파일과 Not.tst 파일을 로드하면 아래와 같은 화면이 됩니다.
좌측 하단의 HDL 항목에는 로드한 hdl 파일이 나타나고, 우측에는 테스트를 위한 스크립트가 나타납니다. 이제 run버튼을 눌러 스크립트를 실행합니다. 또는 single step 버튼을 눌러 단계별로 실행할 수 있습니다.
실행 후 hdl 파일이 있는 경로로 가면 out 파일이 있습니다.
위에서 실행한 스크립트를 통해 출력된 결과가 기록되어 있습니다.
출력된 out 파일과 cmp 파일을 비교해보면 같은 결과가 나타날 것입니다. 우리가 올바르게 게이트를 만들었다는 것입니다.
And 게이트 제작
Not게이트를 제작하였으니 이제 And 게이트를 만들어보겠습니다. And게이트는 Nand게이트에 출력값을 Not으로 반전시켜주면 되겠습니다.
CHIP And {
IN a, b;
OUT out;
PARTS:
// Put your code here:
Nand(a=a, b=b, out=c);
Not(in=c, out=out);
}
먼저 Nand에 a와 b를 입력하고 출력을 c에 저장합니다.
이후 Not게이트에 c를 입력하고 out에 출력하면 And 게이트가 완성됩니다.
위 hdl의 게이트 회로는 다음과 같습니다.
이와 같은 방식으로 모든 게이트를 완성해나가면 됩니다.
And16 게이트 제작
hdl 작성 및 프로그램 구동법에 대해서는 위에서 설명하였으니, 해당 절 부터는 간단한 설명 후 완성된 코드만 공개하겠습니다.
And16은 16비트의 값 a와 b를 and 연산하여 출력하는 게이트입니다.
hdl에서 배열의 값들 입력해주어야하는데, 코드를 보면 어렵지 않습니다.
CHIP And16 {
IN a[16], b[16];
OUT out[16];
PARTS:
// Put your code here:
And(a=a[0], b=b[0], out=out[0]);
And(a=a[1], b=b[1], out=out[1]);
And(a=a[2], b=b[2], out=out[2]);
And(a=a[3], b=b[3], out=out[3]);
And(a=a[4], b=b[4], out=out[4]);
And(a=a[5], b=b[5], out=out[5]);
And(a=a[6], b=b[6], out=out[6]);
And(a=a[7], b=b[7], out=out[7]);
And(a=a[8], b=b[8], out=out[8]);
And(a=a[9], b=b[9], out=out[9]);
And(a=a[10], b=b[10], out=out[10]);
And(a=a[11], b=b[11], out=out[11]);
And(a=a[12], b=b[12], out=out[12]);
And(a=a[13], b=b[13], out=out[13]);
And(a=a[14], b=b[14], out=out[14]);
And(a=a[15], b=b[15], out=out[15]);
}
Not 게이트
Not 게이트는 Nand 게이트의 입력을 같게 넣어주면 됩니다.
CHIP Not {
IN in;
OUT out;
PARTS:
// Put your code here:
Nand(a=in, b=in, out=out);
}
Not16 게이트
Not16 게이트는 16비트의 데이터를 반전시키는 게이트입니다. 앞에서 구현한 Not게이트를 이용하여 쉽게 구현이 가능합니다.
CHIP Not16 {
IN in[16];
OUT out[16];
PARTS:
// Put your code here:
Not(in=in[0], out=out[0]);
Not(in=in[1], out=out[1]);
Not(in=in[2], out=out[2]);
Not(in=in[3], out=out[3]);
Not(in=in[4], out=out[4]);
Not(in=in[5], out=out[5]);
Not(in=in[6], out=out[6]);
Not(in=in[7], out=out[7]);
Not(in=in[8], out=out[8]);
Not(in=in[9], out=out[9]);
Not(in=in[10], out=out[10]);
Not(in=in[11], out=out[11]);
Not(in=in[12], out=out[12]);
Not(in=in[13], out=out[13]);
Not(in=in[14], out=out[14]);
Not(in=in[15], out=out[15]);
}
;
Not(in=b, out=bb);
Nand(a=aa, b=bb, out=out);
}
Or 8way
Or 8way 는 8개의 비트를 모두 or 연산을 하면 됩니다. 입력된 비트 중 하나라도 1이라면 1이 출력되겠습니다.
CHIP Or8Way {
IN in[8];
OUT out;
PARTS:
// Put your code here:
Or(a=in[0], b=in[1], out=out0);
Or(a=out0, b=in[2], out=out1);
Or(a=out1, b=in[3], out=out2);
Or(a=out2, b=in[4], out=out3);
Or(a=out3, b=in[5], out=out4);
Or(a=out4, b=in[6], out=out5);
Or(a=out5, b=in[7], out=out);
}
Or16 게이트
Or16 게이트는 16비트의 두 값을 or 연산을 합니다. 앞에서 구현한 or 게이트로 쉽게 제작할 수 있습니다.
CHIP Or16 {
IN a[16], b[16];
OUT out[16];
PARTS:
// Put your code here:
Or(a=a[0], b=b[0], out=out[0]);
Or(a=a[1], b=b[1], out=out[1]);
Or(a=a[2], b=b[2], out=out[2]);
Or(a=a[3], b=b[3], out=out[3]);
Or(a=a[4], b=b[4], out=out[4]);
Or(a=a[5], b=b[5], out=out[5]);
Or(a=a[6], b=b[6], out=out[6]);
Or(a=a[7], b=b[7], out=out[7]);
Or(a=a[8], b=b[8], out=out[8]);
Or(a=a[9], b=b[9], out=out[9]);
Or(a=a[10], b=b[10], out=out[10]);
Or(a=a[11], b=b[11], out=out[11]);
Or(a=a[12], b=b[12], out=out[12]);
Or(a=a[13], b=b[13], out=out[13]);
Or(a=a[14], b=b[14], out=out[14]);
Or(a=a[15], b=b[15], out=out[15]);
}
Xor 게이트
Xor은 입력받은 두 비트가 같으면 0, 다르면 1을 출력하는 게이트입니다. 위에서 제작한 And, Or, Not을 모두 사용하여 구현하였습니다.
CHIP Xor {
IN a, b;
OUT out;
PARTS:
// Put your code here:
Not(in=b, out=notb);
And(a=a, b=notb, out=anotb);
Not(in=a, out=nota);
And(a=nota, b=b, out=bnota);
Or(a=anotb, b=bnota, out=out);
}
Mux 게이트
멀티플렉서는 a, b, sel을 입력받고, sel의 값에 따라 a 또는 b를 출력하는 게이트입니다.
CHIP Mux {
IN a, b, sel;
OUT out;
PARTS:
// Put your code here:
Not(in=sel, out=notsel);
And(a=a, b=notsel, out=out1);
And(a=sel, b=b, out=out2);
Or(a=out1, b=out2, out=out);
}
Mux16 게이트
Mux16 게이트는 16비트의 a, b 와 sel을 입력받고, sel의 값에 따라 a 또는 b를 출력하는 게이트입니다. 마찬가지로 앞에서 구현한 Mux 게이트를 이용해 쉽게 구현할 수 있습니다.
CHIP Mux16 {
IN a[16], b[16], sel;
OUT out[16];
PARTS:
// Put your code here:
Mux(a=a[0], b=b[0], sel=sel, out=out[0]);
Mux(a=a[1], b=b[1], sel=sel, out=out[1]);
Mux(a=a[2], b=b[2], sel=sel, out=out[2]);
Mux(a=a[3], b=b[3], sel=sel, out=out[3]);
Mux(a=a[4], b=b[4], sel=sel, out=out[4]);
Mux(a=a[5], b=b[5], sel=sel, out=out[5]);
Mux(a=a[6], b=b[6], sel=sel, out=out[6]);
Mux(a=a[7], b=b[7], sel=sel, out=out[7]);
Mux(a=a[8], b=b[8], sel=sel, out=out[8]);
Mux(a=a[9], b=b[9], sel=sel, out=out[9]);
Mux(a=a[10], b=b[10], sel=sel, out=out[10]);
Mux(a=a[11], b=b[11], sel=sel, out=out[11]);
Mux(a=a[12], b=b[12], sel=sel, out=out[12]);
Mux(a=a[13], b=b[13], sel=sel, out=out[13]);
Mux(a=a[14], b=b[14], sel=sel, out=out[14]);
Mux(a=a[15], b=b[15], sel=sel, out=out[15]);
}
DMux 게이트
디멀티플렉서는 in과 sel 을 입력받고, sel의 값에 따라 in의 값을 a 또는 b로 출력하는 게이트입니다.
CHIP DMux {
IN in, sel;
OUT a, b;
PARTS:
// Put your code here:
Not(in=sel, out=notsel);
And(a=in, b=notsel, out=a);
And(a=in, b=sel, out=b);
}
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