순차회로 vs 조합회로(feat 플립플롭)

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순차회로, 조합회로, 플립플롭

📌순차회로(Sequential Circuits)와 조합회로(Comninational Circuits)

순차회로는 출력이 현재의 입력과 이전의 논리회로 상태의 조합에 의해 결정되는 논리회로, 조합회로는 입력이 주어지면 바로 출력이 나오는 회로이다.

앞서 순차회로는 이전의 논리회로 상태에 영향을 받는다고 했는데, 그러기 위해 이전의 값을 기억장치에 저장해야한다. 이때 이 기억소자로 많이 쓰이는 것이 바로 플립플롭이다.

즉 순차회로는 조합회로+기억회로인 것이다. 조합 논리회로의 현재 출력값은 기억회로에 저장되고 이 저장된 값은 다음 단계를 위해 피드백 경로를 통해 조합 논리회로의 입력 단으로 들어가게 된다.

출력값이 기억회로에 저장되었다가 조합 논리회로로 다시 들어가는 모습을 확인할 수 있다.

📌플립플롭

그렇다면 이 플립 플롭에 대해 조금 더 자세히 알아보도록 하자. 플립플롭은 크게 동기식 플립플롭(Synchronous Flip-Flop), 비동기식 플립플롭(Asynchronous Flip-Flop, Latch)으로 구분된다.

두 개의 차이점을 알아보기 전에 먼저 플립플롭에 대한 정의를 짚고 넘어갈 필요가 있다. 앞서 말했듯이 플립플롭은 1bit 기억소자이다. 순차 논리 회로의 기본 구성요소이기도 하다. 이 플립플롭은 값을 저장했다가 다음 단계에서 조합 논리회로로 다시 들어가서 순차 논리회로의 결과값에 영향을 준다. (순차 논리회로는 조합 논리회로+기억회로(플립플롭)) 이렇게 기억해 두었던 값을 순차 논리회로의 결과값에 영향을 주는 시점에 따라 동기식 플립플롭, 비동기식 플립플롭으로 구분되는 것이다.

⭐️비동기식 플립플롭(Asynchronous FF, Latch) vs 동기식 플립플롭(Synchronous FF)

먼저 간단한 비동기식 플립플롭, 즉 래치(Latch)에 대해 살펴보도록 하자. 이름에서 볼 수 있듯이 래치는 비동기식으로 값이 들어오면 즉시 결과값에 영향을 준다.

이와 달리 동기식 플립플롭은 클럭 신호에 따라 입력값을 반영하는 것이다. 이해를 위해 아래 그림을 보도록 하자.

플립 플롭을 위와 같이 표현하곤 하는데 여기서 주목할 부분은 CLK부분이다. 저 부분에는 아래와 같은 0과 1이 반복되는 클럭 신호가 들어간다.

플립플롭은 값이 0 혹은 1일때만 입력값을 감지하고, 그 외의 경우에는 입력을 무시한다. 예를들어 클럭 신호가 1일때만 입력을 감지하는 플립플롭(Positive-Edge-Triggered Flip-Flop이라고 한다)의 경우 클럭신호가 0일때 입력값이 바뀐다고 해도 그 값은 무시해버린다. Negative-Edge-Triggered Flip-Flop의 경우는 반대로 동작한다.

 

클럭 신호에 따른 플립플롭이 필요한 이유
사실 간단한 회로의 경우 그냥 래치를 이용해도 된다. 그러나 복잡한 회로를 설계할 수록 동작의 안정성을 높이기 위해서는 플립플롭이 필요하다.
여러개의 회로를 다룰 경우 회로간 값을 동기화 해야할 수도 있다. 예를들어 1,2,3번 회로의 결과값들을 모두 반영하여 값을 도출하는 4번 회로가 있다고 해보자. 이때 1, 2, 3번 회로의 결과값이 도출되는 속도가 다르다고 가정해보자. 그럼 설계할때와 다르게 동작할 수도 있을 것이다. 이때 각 회로에 동일한 클럭 신호를 준다면 회로간 값을 동기화하는데 사용될 수 있다.