마이컴이 취급하는 신호

아날로그 신호와 디지털 신호

아날로그 신호와 디지털 신호에 대해 설명하겠습니다.
아날로그 신호란 연속적으로 변화하는 신호를 가리키며, 디지털 신호란 이산적 (분리된) 수치를 취하는 신호를 가리킵니다.
아날로그 신호와 디지털 신호의 파형 예를 살펴보겠습니다.

아날로그 신호

아날로그 신호의 큰 특징은 『연속성을 가진다』는 점입니다. 쉽게 설명하자면 중간 값이 무한대로 존재하여 그래프로 나타내면 한줄의 매끄러운 선으로 연결되는 신호입니다. 실제로 생활 주변에는 아날로그 신호가 많이 존재합니다.

디지털 신호

디지털 신호의 큰 특징은 연속성이 없다는 점입니다. 전문적인 표현으로는 이산적이라고 할 수 있습니다. 쉽게 설명하자면 중간 값이 존재하지 않아 그래프로 나타내면 연속적으로 연결되지 않는 신호입니다. 디지털 신호의 중요한 특징으로는 0과 1밖에 존재하지 않는다는 점입니다.

디지털 신호가 필요한 이유

생활 주변의 신호는 대부분 아날로그 신호입니다. 아날로그 신호와 디지털 신호 사이에는 인터페이스로서 특별한 회로가 필요합니다. 디지털 회로가 사용되는 이유는, 디지털 신호를 취급하는 회로 (이하, 디지털 회로)의 경우 아날로그 신호를 취급하는 회로 (이하, 아날로그 회로)에 비해, 소형화 및 저소비전력화를 실현할 수 있기 때문입니다. 또한, 디지털 신호는 열화에 강하다는 장점도 있습니다.
아날로그 신호는 앞서 설명한 바와 같이 중간 값이 존재하는 신호입니다. 아날로그 신호를 만들어내는 소자의 미세한 변화 (편차)로 인해 신호가 불안정해질 우려가 있습니다. 소자의 미세한 변화로 인한 영향을 억제하기 위해서는 소자의 사이즈를 어느정도 크게 할 필요가 있습니다. 이는 소자를 소형화할 수 없다는 것을 의미합니다. 또한, 중간 전압을 계속 출력하기 위해서는 전류를 끊임없이 흘려야 할뿐만 아니라, 소비전력을 억제하고자 하면 회로가 커진다는 문제도 있습니다.
반면에 디지털 신호는 최대치와 최소치밖에는 존재하지 않기 때문에 소자의 ON / OFF로 만들어 낼 수 있습니다. 따라서 소자에 다소 편차가 있다고 하더라도 크게 문제되지 않습니다. 이는 소자의 소형화가 가능하다는 것을 의미합니다. 또한, 아날로그 신호가 아니기 때문에 전류를 끊임없이 흘릴 필요가 없어, 저소비전류화가 가능해집니다.

신호의 열화에 대해 설명하겠습니다. 아날로그 신호는 앞서 기술한 바와 같이 중간 값이 존재하는 신호입니다. 이는 1과 0 사이에 0.3이나 0.75와 같은 소수점 이하의 숫자가 존재하는 것을 의미합니다. 신호를 보존하는 경우나 통신하는 경우를 예로 들어 설명하겠습니다. 먼저 신호를 보존하는 경우, 0.75를 보존했지만 수년 후 0.7로 남아있었다면 원본 데이터가 보존되었다고는 할 수 없습니다. 그리고 신호를 통신하는 경우, 0.3을 송신했지만 0.4가 수신되었다면 원본 데이터가 송신되었다고는 할 수 없습니다. 이와 같이 아날로그 신호는 열화된다는 약점이 있습니다.
반면에 디지털 신호는 1과 0밖에는 존재하지 않습니다. 0.5 부근에 임계치가 있는 경우, 0.5 이상이면 1로 판별되고, 0.5 미만이면 0으로 판별됩니다. 즉, 1을 보존했지만 수년후 0.9로 남아있다고 하더라도, 임계치 0.5 이상이므로 1로 판별됩니다. 0을 송신했지만 0.1이 수신되었다고 하더라도, 임계치 0.5 미만이므로 0으로 판별됩니다. 이와 같이 디지털 신호는 열화에 강하다는 특징이 있습니다.

0과 1밖에 존재하지 않는 디지털 신호로 정보를 보존하는 방법으로서, 0과 1을 조합하는 방법이 있습니다. 예를 들어 ASCII (아스키 코드)라는 문자 코드로 알파벳 a를 0과 1로 표현하면, 01100001이 됩니다. ASCII뿐만 아니라 다양한 문자 코드가 존재합니다. 문자 코드뿐만 아니라 이미지나 음악도 모두 0과 1의 조합으로 재현할 수 있습니다.

마이컴 내부의 신호

마이컴 내부는 앞서 설명한 바와 같이 재현성이 우수한 디지털 신호로 처리됩니다. 그러나, 생활 주변의 신호는 대부분 아날로그 신호입니다. 따라서, 마이컴에 입력할 때에는 아날로그 ⇒ 디지털 변환 (A/D 변환)을 통해 디지털 신호로 변환하여 연산 등 복잡한 처리를 실행합니다. 그 결과를 마이컴에서 아날로그 신호로 출력하는 경우에는 디지털 ⇒ 아날로그 변환 (D/A 변환)을 합니다. 따라서, A/D 변환이나 D/A 변환은 마이컴에 있어서 매우 중요한 기능입니다.

2진수와 16진수

디지털 회로는 모두 트랜지스터로 표현할 수 있습니다. 트랜지스터의 출력 상태는 H나 L이므로, H="1", L="0"으로 나타내면 회로의 상태를 2진수로 표현할 수 있습니다. 이와 같이 수학적으로 표현이 가능하게 됨에 따라 디지털 회로는 급격하게 발전되었습니다. 따라서, 디지털 신호를 취급함에 있어서 2진수는 매우 중요한 개념입니다.
우리가 평소에 사용하는 10진수의 "0"에서 "7"까지의 숫자를 2진수로 기술하면 아래와 같습니다.

0=0b000
1=0b001
2=0b010
3=0b011
4=0b100
5=0b101
6=0b110
7=0b111

여기에서 "0b"의 b는 binary (2진수)의 b에서 유래되었으며, 2진수임을 선언하기 위한 기호입니다.

디지털 신호를 취급함에 있어서 또 한가지 중요한 개념으로 16진수가 있습니다. 16 진수는 "0"~"F"로 숫자를 나타내는 방법입니다. 10진수의 "0"에서 "15"까지의 숫자를 16진수로 기술하면 아래와 같습니다.

0=0x0
1=0x1
2=0x2
3=0x3
4=0x4
5=0x5
6=0x6
7=0x7
8=0x8
9=0x9
10=0xA
11=0xB
12=0xC
13=0xD
14=0xE
15=0xF

여기에서 "0x"의 x는 hexadecimal (16진수)에서 유래되었으며, 16진수임을 선언하기 위한 기호입니다.

2진수와 16진수의 변환

예를 들어 10진수 255를 2진수로 기술하면 "0b11111111"이 되어 매우 길어집니다. 자릿수도 잘못 인식하기 쉽기 때문에 이러한 경우 16진수를 사용하면 "0xFF"로 자릿수를 줄일 수 있습니다. 잘못 인식할 우려도 줄어들기 때문에 16진수를 많이 사용합니다.

10진수가 아니라 16진수를 사용하는 이유는 2진수에서 16진수로의 변환이 간단하기 때문입니다.
예를 들어 "0b0010110011111000"을 16진수로 변환할 때, 2진수를 4bit씩 구분하여 각각을 16진수로 변환하면 간단히 변환할 수 있습니다. 위의 예에서는 "0b 0010 1100 1111 1000" = "0x2AF8"이 됩니다.