디지털공학실험(Floyd)

본 실험 교재는 Thomas L. Floyd의 Digital Fundamentals: A Systems Approach의 내용에 부합하는 29개의 실험 실습들로 구성되어 있다. 실험들은 데이터, 실험 결과 및 질문에 대한 답변의 지속적인 기록을 학생들에게 제공함으로써 실질적인 검증을 할 수 있도록 설계되어 있다. 각 실험들은 다음과 같은 항목들을 포함하고 있다.



▶ 열람 : 각 실험의 머리글에는 'Digital Fundamentals: A System Approach'의 내용에서 참조할 수 있는 장이 표시되어 있다.

▶ 실험 목표 : 학생들이 실험을 완료한 후에 학습하게 되는 내용을 요약한 부분이다.

▶ 사용 부품 : 이 부분은 구성 부품과 필요한 소형 기기의 목록이다. 대부분의 실험은 사용하기 쉽고, 저렴하며 브레드보드에서 잘 동작하는 TTL 논리를 사용한다.

▶ 이론 요약 : 이론 요약은 실험 실습 이전에 핵심 내용 살펴보기와 더불어 교재에서의 중요한 개념을 강화하기 위한 것이다. 대부분의 경우, 실험에 필요한 특정 실질적인 내용이 제공된다.

▶ 실험 순서 : 이 절은 실험을 수행하기 위한 과정을 상대적으로 나열한 내용으로 실험 과정을 자세하게 제공한다.

▶ 추가 조사 : 이 절은 실험과 관련된 창의적 처리 과정으로 추가적인 특정 문제를 제시한다. 이 부분을 통하여 실험 과정을 향상시킬 수 있다.



대부분의 실험은 필요한 데이터 표, 회로도와 그림을 갖는 보고서 부분을 포함하고 있다.

모든 보고서는 다음과 같은 내용을 포함한다.



▶ 결론 : 학생들이 실험으로부터 얻어진 주요 결과를 요약한다.

▶ 추가 조사 결과 : 학생들이 직접 추가 조사에 대한 결과를 요약한다.

▶ 평가 및 복습 문제 : 이 절에서는 학생들이 실험 작업으로부터 결론을 도출하고 개념의 이해를 확인하기 위한 필요 문제들이 포함되어 있다. 해결해야 하는 문제에 대한 질문이 여러 개 존재한다.



저자 머리말



본 실험 교재는 Thomas L. Floyd의 Digital Fundamentals; A Systems Approach의 내용에 부합하는 29개의 실험 실습들로 구성되어 있다. 전자 공학에서 실험 과정은 전통적으로 이론을 강화하고 학생들이 실제 확인할 수 있는 의미 있는 과정이다. 본 교재의 실험을 수행하기 위한 각 실험실은 이중 가변정격 전원 공급 장치(dual variable regulated power supply), 함수 발생기(function generator), 멀티미터(multimeter)1)와 이중 채널 오실로스코프(dual-channel oscilloscope)가 준비되어야 한다. 만약 실험실에 로직 애널라이저(logic analyzer2), 또는 논리 분석기)가 준비되어 있다면, 더욱 유용하지만 반드시 필요한 장비는아니다.



실험들은 데이터, 실험 결과 및 질문에 대한 답변의 지속적인 기록을 학생들에게 제공함으로써 실질적인 검증을 할 수 있도록 설계되어 있다. 각 실험들은 다음과 같은 항목들을 포함하고 있다.



● 열람 : 각 실험의 머리글에는'Digital Fundamentals: A System Approach'의 내용에서 참조할 수 있는 장이 표시되어 있다.

● 실험 목표 : 학생들이 실험을 완료한 후에 학습하게 되는 내용을 요약한 부분이다.

● 사용 부품 : 이 부분은 구성 부품과 필요한 소형 기기의 목록이다. 대부분의 실험은 사용하기 쉽고, 저렴하며 브레드보드에서 잘 동작하는 TTL 논리를 사용한다.

● 이론 요약 : 이론 요약은 실험 실습 이전에 핵심 내용 살펴보기와 더불어 교재에서의 중요한 개념을 강화하기 위한 것이다. 대부분의 경우, 실험에 필요한 특정 실질적인 내용이 제공된다.

● 실험 순서 : 이 절은 실험을 수행하기 위한 과정을 상대적으로 나열한 내용으로 실험 과정을 자세하게 제공한다.

● 추가 조사 : 이 절은 실험과 관련된 창의적 처리 과정으로 추가적인 특정 문제를 제시한다. 이 부분을 통하여 실험 과정을 향상시킬 수 있다.



대부분의 실험은 필요한 데이터 표, 회로도와 그림을 갖는 보고서 부분을 포함하고 있다. 모든 보고서는 다음과 같은 내용을 포함한다.



● 결론 : 학생들이 실험으로부터 얻어진 주요 결과를 요약한다.

● 추가 조사 결과 : 학생들이 직접 추가 조사에 대한 결과를 요약한다.

● 평가 및 복습 문제 : 이 절에서는 학생들이 실험 작업으로부터 결론을 도출하고 개념의 이해를 확인하기 위한 필요 문제들이 포함되어 있다. 해결해야 하는 문제에 대한 질문이 여러 개 존재한다.



연필 아이콘이 표시되어 있는 네 개의 실험은 보고서 부분이 없으며, 학생들이 실험 결과를 작성하는 형식으로 되어 있다.



실험 25와 26은 베리로그 및 회로도 설계(Verilog and Schematic capture) 기반의 소프트웨어인 VHDL을 이용한 PLD 프로그래밍을 소개한다. 컴파일러(compiler)는 (쿼터스 II (Quartus II)를 위한) 알테라(Altera), 자일링스(Xilinx) (프로젝터 네비게이터(Project Navigator)) 그리고 모델-심(Model-Sim) 등의 다양한 업체에서 사용할 수 있다. 실험에 사용되는 다양한 프로그래밍 소프트웨어는 제조업체의 웹 사이트로부터 다운 받을 수 있는 무료 웹 버전이다. 입문자용 PLD 개발 지침서(tutorial)는 VHDL, Verilog, and schematic capture techniques 표제의 책으로 www.pearsonhighered.com/floyd/ 사이트에서 제공된다. 또한 실험을 위한 프로젝트 파일도 이 사이트에서 제공한다.



인텔 프로세서 제목의 실험 28은 인텔 프로세서의 구조에 대한 지침서로 제공되며 디버그(debug) 프로그램을 이용하여 간단한 어셈블리어(assembly language)를 입력하고 실행시키는 명령어를 사용하게 된다. 이 실험에서는 마이크로프로세서의 구조를 분석하기 위한 PC가 필요하며 마이크로프로세서 과정으로 넘어가는'다리(bridge)'역할을 제공한다. 이 실험의 실험 순서 부분에는 학생들이 답변과 실험 내용을 작성할 수 있도록 빈 공간을 남겨두었다.



대부분의 실험에서는 실험에 대한 복습과 오류 해결 문제들이 포함되어 있는 파워포인트 슬라이드를 제공한다. 파워포인트 슬라이드는 본서로 강의하는 교수들에게 http://pearsonhighered.com/floyd/ 사이트를 통해 제공하며, 직접 다운로드 받기 위해서는 교수용 접속 암호가 필요하다. 먼저 www.pearsonhighered.com/irc에 접속하여 교수용 접속 암호에 대한 등록을 하고, 등록 후 48시간 안에 교수용접속 암호가 포함된 확인용 이메일을 받게 된다. 접속 암호를 받는 즉시, 사이트로 이동하여 로그온하고 사용하고자 하는 내용들을 다운로드 받으면 된다.



이 교재의 또 다른 특징은 일정한 양식의 보고서 작성과 아날로그 및 디지털 오실로스코프에 대한 지침서의 설명이다. 데이터 시트에 대한 이해의 중요성으로 인하여, 실험에 사용되는 다양한 IC들에 대한 간략화 된 테이트 시트를 부록 A에 포함하고 있다. 완전한 데이터 시트는 IC 제작사의 웹 사이트를 참조하기 바란다. 부록 B는 실험에 사용되는 부품 목록을 모두 정리해두었다.



본 저자들은 Pearson Education사의 Dan Trudden과 Rex Davidson 그리고 원고 작성에 많은 훌륭한 조언 및 원고 편집에 힘써준 Lois Porter에게 감사를 드린다. 마지막으로, 본 저자들은 아내의 지원에 상호 감사의 마음을 전하고 싶다.



David Buchla

Doug Joksch



역자 머리말



디지털 공학은 전기/전자/정보통신 및 컴퓨터 등의 공학 분야를 전공하기 위해 가장 필수적인 학문으로서 휴대전화를 비롯한 무선 휴대 단말기, 멀티미디어 시스템, USN 단말기, 공정 제어, 지능형 로봇, 자동차 관련 전자 장비와 가전제품 등과 같은 민수 산업 분야뿐만 아니라 군사 및 항공 우주 산업 등에 모두 적용되고 있는 기술이다. 따라서 디지털 공학을 활용한 디지털 시스템은 현대 사회의 모든 분야에 걸쳐 없어서는 안 될 필수적인 요소로 자리 매김하고 있다. 이와 같이 대부분의 제품들이 기존의아날로그 방식에서 디지털 방식으로 넘어오면서 그 제품이 가지는 품질이 좋아지게 된 것은 디지털기술이 가지는 능력 때문일 것이다.



기초 디지털 이론을 배움으로써 가장 기본적인 가산기부터 시작하여 계산기의 원리, 메모리 장치와 컴퓨터 프로세서까지 디지털 장비에 들어가는 기본 기술을 이해할 수 있으며, 이론으로 배운 디지털 이론에 대해 실제 IC와 기타 소자들을 이용하여 회로를 구성해보고 테스트하여 책으로만 봤던 내용을 직접 다루어 봄으로써 이론적인 내용이 실제 어떻게 동작하는지, 응용에서는 어떻게 활용되는지를 알아볼 수 있는 계기가 될 것이다.



많은 학생들이 이론으로 배운 디지털 공학의 내용을 직접 실험실에서 각종 소자들을 이용하여 브레드보드에 실험함으로써 이론을 더욱 확립할 수 있을 것이다. 물론 실험 중 한 번에 결과가 나오는 경우도 있을 수 있고, 여러 번의 실험을 해서 결과가 나오는 경우도 있을 것이다. 하지만 결과를 얻어내는 것이 중요한 것이 아니라, 결과가 나오기까지의 원인을 찾고 이해하는 것이 더욱 중요하다고 생각한

다. 왜냐하면 엔지니어란 어떤 문제점이 발생했을 때 해결할 수 있는 능력을 가진 사람이어야 하기 때문이다. 즉, 아무리 작은 규모의 디지털 회로 실험이라고 하더라도 문제가 생기면 자신이 알고 있는이론적 내용과 제작한 회로를 보면서 원인을 분석하고 해결책을 모색하는 작업이야말로 디지털 관련기술 능력을 업그레이드시킴과 동시에 진정한 엔지니어가 되는 첫 걸음이라고 생각한다.



본 실험 책은 29장으로 구성되어 있다. 실험실에서 기본적으로 다루는 장비 설명과 동시에 디지털 이론의 기본 개념에서부터 인텔 프로세서 및 버스 시스템까지 거의 모든 영역을 포함하고 있다. 대부분의 디지털 실험 책과 유사하게 실험 목표, 사용되는 부품, 이론적인 배경을 먼저 알아보고, 이어 실험순서에 맞게 세부적인 내용을 지시하고 있다. 또한 추가 조사 부분이 첨부되어 해당 실험에서 미처 생각하지 못했던 내용이나 좀 더 탐구해야할 내용도 다루고 있다. 마지막으로 실험 내용에 대한 보고서를 작성하고 평가 및 복습 문제를 통해 해당 실험에 대한 지식을 평가하고 확고히 할 수 있다.



이 책의 원저자인 David M. Buchla와 Douglas Joksch도 머리말에 언급했듯이 이 책은 Thomas L.Floyd의 Digital Fundamentals : A System Approach의 내용과 부합하는 주제들로 실험이 구성되어 있다. 본서에 나오는 실험 25와 26은 Quartus II 프로그램 시뮬레이션을 이용하는 실험으로 생략하고 수업을 진행해도 별 무리가 없을 것으로 생각된다.



이론으로 배웠던 디지털 공학의 개념을 본서의 실험을 통해 완벽하게 이해하는 데 많은 도움이 되기를 바라며, 끝으로 본서가 출간되기까지 물심양면으로 도움을 주신 도서출판 ITC의 최규학 사장님, 고광노 실장님 등 많은 분들에게 서면으로나마 감사의 말씀을 드리는 바이다.



2014년 2월

역자일동

저자 머리말

역자 머리말

실험 개요

오실로스코프 안내

실험 1 실험 기기 사용법 / 실험보고서 1

실험 2 논리 프로브 구성 / 실험보고서 2

실험 3 수 체계 / 실험보고서 3

실험 4 논리 게이트 / 실험보고서 4

실험 5 추가 논리 게이트 / 실험보고서 5

실험 6 데이터 시트 해석 / 실험보고서 6

실험 7 부울 법칙과 드모르간의 정리 / 실험보고서 7

실험 8 논리 회로 간소화 / 실험보고서 8

실험 9 연필 자판기

실험 10 당밀 탱크

실험 11 가산기와 크기 비교기 / 실험보고서 11

실험 12 멀티플렉서를 이용한 조합 논리 / 실험보고서 12

실험 13 디멀티플렉서를 이용한 조합 논리 / 실험보고서 13

실험 14 D 래치와 D 플립플롭 / 실험보고서 14

실험 15 상자 검출기

실험 16 J-K 플립플롭 / 실험보고서 16

실험 17 단안정 및 비안정 멀티바이브레이터 / 실험보고서 17

실험 18 시프트 레지스터 카운터 / 실험보고서 18

실험 19 시프트 레지스터 회로 응용 / 실험보고서 19

실험 20 야구 스코어보드

실험 21 비동기 카운터 / 실험보고서 21

실험 22 디코더를 이용한 동기 카운터 분석 / 실험보고서 22

실험 23 동기 카운터 설계 / 실험보고서 23

실험 24 교통 신호 제어기 / 실험보고서 24

실험 25 반도체 기억장치 / 실험보고서 25

실험 26 직-병렬 데이터 변환기

실험 27 D/A 및 A/D 변환 / 실험보고서 27

실험 28 인텔 프로세서

실험 29 버스 시스템 응용 / 실험보고서 29

부록 A 제조업체 데이터 시트

부록 B 실험 부품 목록

David M. Buchla