[펌글]컴퓨터프밍과 하드웨어제어

컴퓨터프밍과 하드웨어제어

디지털제어

  인간이 제어를 하는 방법은 딱 한가지 뿐이다. 신호를 주거나 주지 않거나. 즉 0과 1로 신호를 작성하고 그것을 처리하는게 유일한 방법이다. 현대에 이르러서 0과 1로 구성된 유효한 전기신호를 만드는 것은 컴퓨터공학의 영역으로, 그런 신호를 객체화 하는 것은 시스템 프로그램과 전자공학의 영역으로, 그리고 그런 신호들이 기계적인 플랜트부에 정확하고 빠르게 작용하도록 설계하는 것은 전기공학과 전력전자의 영역으로 분류되었지만 어찌되었거나 0과 1로써 어떤 신호를 처리하는 것은 매우 유용하다.

  우리는 어떤 신호가 0일지 1일지 아주 간단히 생각해 볼 수 있는데, 전류가 통하지 않으면 0, 전류가 통하면 1이라고 기입하는 것을 생각해 볼 수 있다. 여기에는 아주 간단한 원리가 작용되는데, +와 -가 있는 판때기 사이에 전자를 놓으면 전계에 의해 당연히 전자가 +쪽으로 끌려갈 것이라는 원리이다. 플러스는 마이너스를 당기고 마이너스끼리는 미니까 그렇게 되는 것은 전적으로 타당하다.


 에디슨효과와 퍼미준위

  재미있는 사실은 이것이 에디슨효과(열전자방출)로서 발견되었고 상용화 된지 아직 백년도 채 되지 않았다는 점이다. 교류전류를 인가하면 전계의 방향이 뒤집히는데 이 때 전계 사이에 있는 전자는 어떨때는 도통하고 어떨때는 통하지 않는다. 즉, 전계가 플러스-마이너스 방향일때만 도통하게 되므로 신호를 주었다가 안 주었다가를 할 수 있는 짓거리가 만들어지는 것이다. 에디슨은 어떤 물질에 열을 가하면 일함수와 에너지 준위때문에 전자가 나온다는 사실을 알아내었고, 그 전자가 어떨때는 흐르고 어떨때는 흐르지 않는 것을 발견하였는데 이는 밀리컨의 기름방울 실험이나 톰슨의 전자발견과 상당히 관계가 있는 실험이었다고 할 수 있겠다.

  나중에 페르미 준위에 대한 발견이 1930년대쯤에 이루어지면서 이것은 진공관이나 P,N형 반도체의 기본이 된다. 이것은 고등학교 화학 2에 있는 내용인데, 금속형으로서 최외각의 전자가 1가 또는 2가이고 그것을 때내는 에너지가 비교적 작으면 이것은 잘 움직이게 되므로 자유전자가 되고, 비금속형인 경우 최외각에 전자가 들어갈 수 있는 방이 있으니까 이 둘의 페르미 준위는 당연히 다르게 된다. 페르미 준위라는 것은 절대영도가 아닐때 어떤 물질을 구성하는 원자에서 전자가 발견될 확률이 0.5, 즉, 발견될 확률과 발견되지 않을 확률이 똑같은 레벨을 의미하는데 이것은 물질에서 파울리 배타원리에 따라 전자가 차는 것에서 각 방에 전자가 2개씩 들어갈 수 있는데 그 때 하나씩만 차있는 것을 의미한다. 그러므로 이 경우에는 물질들이 대부분 최외곽이 4가가 될 것이고 실리콘,탄소,게르마늄 등이 생각될 수 있는 것이다.


 반도체

  P형 반도체와 N형 반도체를 접합하게 되면 페르미 준위가 평준화된다. 즉, 마치 4가 물질처럼 안정한 상태가 되는데 그 이유는 전자가 많은 쪽이 전자가 적은쪽으로 확산이 되기 때문이고 반대로 비어있는 전자의 방인 정공도 그렇게 된다. 특히, 전자의 확산과 정공의 확산속도가 똑같아져서 아주 안정한 상태에 있는 것 처럼 보이는 정상상태를 반도체의 안정상태라고 하는데, 이렇게 되면 전자가 확산되면서 어떤 부분에는 전계밀도가 더 높을 것이므로 P 형과 N형의 접합부에는 당연히 전계가 만들어지고, 이 소자의 양단에 전압을 인가하면 어떤 방향일때는 전류를 흘리고 어떤 방향일때는 전류를 흐르지 않게 되는데 이것이 다이오드의 원리이다.

  물론 이때 가하는 외부전계는 내부에 동적평형으로 만들어진 전계를 파괴하지 않아야 한다. 외부전계가 매우 강하게 걸리면 내부전계는 파괴되는데 이 때 관찰되는 현상이 애벌런치 효과와 제너현상이다. 애벌런치 효과는 외부전계가 매우 강하게 걸렸을 때 안에 있는 전자들이 빠르게 튀어 나오느라 다른 애들을 때리는 바람에 다른 애들도 움직이게 된다는 것인데 대략 당구나 볼링을 생각하면 쉽다. 그리고 애벌런치라는 말 자체가 눈사태를 의미하니까 참으로 적절한 표현 같다.

  또, 제너효과는 외부에 강한 전계가 걸렸을 때 전자들이 많이 움직여 버리게 되면 정공이 급격히 늘어난다는 것인데 어찌되었건 이것도 시간이 지나면 동적 평형인 정상상태를 갖게 될 것이고, 제너효과와 에벌런치 효과가 상쇄되는 전계인 3.5볼트는 공학적으로 굉장히 중요한 의미를 갖게 된다.


집적 반도체

  특히, 이렇게 된 경우 이 다이오드를 매우 작게 만들어서 여러개를 붙이게 되면 여러가지 정류작용이나 신호처리를 쉽게 할 수 있을 것이라는 생각을 해 볼 수 있는데, 이것들로서 간단한 논리회로를 구성할 수 있음이 독일의 전기공학자인 누군가에 의해 밝혀지면서 제어공학은 급속도로 발전된다. 70년대에 들어 이런 짓거리들은 트랜지스터로 이루어지게 되었고 나중에는 이 것들을 초고밀도로 집적하면서 초고밀도 집적회로, 즉 프로세서가 만들어지게 된 것이다.


 컴퓨터 프로그래밍과 하드웨어 제어

  따라서 우리가 어떤 컴퓨터 프로그래밍을 한다는 것은 이미 만들어져있는 프로세서와 이미 정의되어 있는 신호처리의 기본적인 논리연산 알고리즘을 조합하여 시스템 소프트웨어를 만들고, 그런 시스템 소프트웨어로서 고도의 유효한 작용을 인간이 쉽게 할 수 있도록 하기 위해 OS가 개발되었다. 제록스사는 이 OS에 대해 그래픽적인 짓거리를 추가하여 GUI환경을 만들어 내었고, 마이크로소프트는 얼시구나 좋답시고 이것을 배껴서 OS를 아예 그래픽으로 만들어 버리는데 그것이 윈도우 1.0, 2.0, 3.0.... 그런 것들이었다.

  그러므로 우리가 어떤 컴퓨터 프로그램을 이용한다는 것은 컴퓨터에 입력된 신호가 프로그램 안에서 객체화된 논리로서 연산이 되고, 그 연산은 프로세서에 유용한 작업을 하기 위해 OS에서 해석될 것이며, 캐시에 정의되어 있는 연산들은 OS의 그러한 짓거리를 전기신호로 바꿀 것이며, 프로세서에 이미 포함되어 있는 논리회로는 그런 전기신호를 저절로 처리하게 된다. 그 전기신호들은 각각의 PN접합으로 하여금 전류를 도통하거나 도통하지 않게 만들 것이고, 그렇게 연산된 논리들은 결국 0과 1이라는 신호를 내뱉게 되며 이것이 모니터 등의 출력장치로 그 결과물이 보이게 되는 것은 위에서 말했던 짓거리와 정 반대되는 것을 하면 된다.

추가 참고 자료 - http://m.dt.co.kr/contents.html?article_no=2006041902012432655001