CODE - The Hidden Language of Computer Hardware and Software를 읽고서 (3)

목차

• 친한 친구와의 대화
• 부호와 조합
• 점자와 이진 부호
• 전등을 분해해 봅시다
• 다른 방법을 찾아봅시다
• 전신과 릴레이
• 우리가 사용하는 열 개의 숫자들
• 십진수 이외의 것
• 비트, 비트, 비트
• 논리와 스위치
• 빌 게이츠? 논리 게이트!
• 이진 덧셈기
• 그렇다면 뺄셈은 어떨까요?
• 피드백과 플립플롭
• 바이트와 16진수
• 메모리를 만들어봅시다
• 혼자서 움직이는 컴퓨터
• 주판에서 반도체까지
• 두 가지 고전적인 마이크로프로세서들
• 아스키코드와 문자의 변환
• 버스에 올라탑시다
• 운영체제
• 고정소수점과 부동소수점
• 고수준 언어와 저수준 언어
• 그래픽 혁명

 

책 소개

CODE 코드 - 예스24

 

전등을 분해해 봅시다

손전등은 이불속에서 뭔가를 읽는다든지, 부호화된 메시지를 전달하는 것 같이 아주 쉽게 알 수 있는 곳 이외에도 여러 곳에서 요긴하게 사용할 수 있습니다. 집에서 흔히 사용하는 손전등은 '전기'라고 불리는 신비로운 현상을 직접 보면서 이야기하기 위한 교재로도 아주 요긴합니다. 전기란 아주 놀라운 현상입니다. 전기는 이제야 겨우 폭넓게 사용할 수 있을 정도가 된 것이라, 전기가 어떻게 동작하는지 안다고 생각하는 사람들에게도 많은 부분이 풀리지 않는 수수께끼로 남아 있습니다. 그래서 전기에 대해 알기 위해 씨름을 해야 한다면 두려움이 앞섭니다. 다행히도 여기서는 전기가 컴퓨터 내부에서 어떻게 사용되는지 이해하기 위한 몇몇 기본적인 개념만 이해하면 됩니다.

손전등은 집에서 찾을 수 있는 가장 간단한 전자제품 중 하나입니다. 일반적인 손전등을 분해해 보면 몇 개의 전지, 전구, 스위치, 금속 조각, 그리고 이 모든 걸 집어넣기 위한 플라스틱 케이스로 구성되었다는 걸 알 수 있습니다. 전지와 전구를 제외한 다른 모든 것을 버리면, 다음 그림과 같이 불필요한 장식들이 없는 간단한 손전등을 만들 수 있지요. 물론, 절연 처리되어 있는 전선 약간과 이 모든 것을 붙잡을 수 있는 손도 필요합니다.

 

전기회로의 모습

 

지금 우리가 만든 것은 간단한 전기 회로이며, 여기서 회로가 원형의 순환 형태를 하고 있다는 점에 주목해야 합니다. 전지에서 전선으로, 전선에서 전구로, 전구에서 스위치로, 스위치에서 다시 전지로 가는 경로에 끊김이 없을 때만 전구에 불이 들어오게 됩니다. 이 회로에서 어떤 끊김이 있으면 전구에 불은 들어오지 않지요. 스위치는 이런 과정을 제어하는 역할을 합니다.

전기회로가 가지고 있는 순환 형태의 속성은 수도관을 통하여 물이 흐르는 것과 비슷하게 어떤 것이 회로를 통하여 이동하고 있는 것이 아닐까 짐작할 수 있게 합니다. '물과 수도관'이라는 비유는 전기가 어떻게 동작하는지를 설명할 때 자주 사용되는 비유지만, 모든 비유가 그렇듯이 결국은 잘 들어맞지 않는 경우가 있지요. 사실 전기는 이 세상 어떤 물질과도 다르기 때문에 그 자체의 용어들을 직접 사용하는 것이 좋겠습니다.

 

전기가 어떻게 동작하는지 설명하는 가장 널리 퍼져 있는 과학적 추론은 '전기란 전자의 움직임으로 인하여 발생한다'는 전자론입니다. 우리가 보고 만질 수 있는 모든 것은 원자라 불리는 매우 작은 입자들로 이루어져 있습니다. 또한, 모든 원자는 전자(electron), 양자(proton), 중성자(neutron)라는 세 가지 요소로 구성되어 있지요. 원자는 중간에 중성자와 양자가 핵원자(nucleus)로 묶여 있고 이 주위를 전자가 회전하고 있는, 마치 행성이 태양 주위를 회전하고 있는 태양계와 같은 형태로 그려볼 수 있습니다.

 

 

앞에서 보여드린 원자의 그림은 3개의 전자, 3개의 양성자, 4개의 중성자로 이루어져 있는 리튬 원자의 그림입니다. 리튬은 알려진 112개의 원자들 중 하나로서, 각 원자의 번호는 1번부터 112번까지로 매겨져 있습니다. 원자 번호는 핵원자에 존재하는 양자의 수에 따라 번호를 매긴 것이며 일반적으로 원자에 존재하는 전자의 수와 동일합니다. 리튬의 원자 번호는 3번이지요. 원자는 다른 원자와 화학적으로 결합되어 분자(molecule)를 형성할 수 있습니다. 분자는 일반적으로 그 분자에 포함되어 있는 원자와는 다른 속성을 가지고 있습니다. 예를 들어, 물 분자의 경우 2개의 수소 원자(H)와 1개의 산소 원자(O)로 이루어져 있습니다. 물은 수소나 산소와는 완전히 별개의 속성을 지니고 있지요.

마찬가지로 소금은 나트륨과 염소 원자로 이루어져 있지만, 나트륨(Na)이나 염소(Cl)를 이용해서 감자튀김의 맛을 낼 수는 없지요.

 

원자에 존재하는 전자의 수는 일반적으로 양자의 수와 동일합니다. 하지만 특정한 상황에서는 전자가 원자에서 떨어져 나올 수도 있습니다. 이런 현상에 의하여 전기가 일어나는 것이지요.

 

전자와 전기라는 단어는 모두 고대 그리스어인 ηλεκτρόν(elektron)에서 유래되었습니다. 이는 나무 수액이 딱딱하게 굳어져서 유리처럼 된 보석인 호박을 의미합니다. 왠지 어울릴 것 같지 않은 단어의 유래는 고대 그리스인이 호박을 양모에 문지를 때 우리가 정전기라고 알고 있는 현상이 발생한다는 것을 알았기 때문입니다. 호박을 양모에 문지르면 양모가 호박의 전자를 빼앗아 오는 일이 발생합니다. 이 경우 양모에는 결국 양자보다 더 많은 전자가 존재하게 되고, 호박에는 양자보다 더 적은 전자만이 존재하게 됩니다. 양자와 전자는 전하(charge)라는 특성을 지니고 있습니다. 양자는 양(+) 전하를 가지고 있다고 말할 수 있으며 전자는 음(-) 전하를 가지고 있다고 말할 수 있습니다. 이 부호는 단지 양자와 전자가 몇몇 측면에서 반대의 성질을 가지고 있음을 나타낸다고 생각하면 되겠습니다. 이 반대되는 성질이라는 말 자체가 양자와 전자가 서로 어떤 관계를 지니는지 나타낸다고 할 수 있겠지요.

 

 

전자와 양자는 동일한 수가 원자 내에 존재할 때 가장 안정적이고 행복한 상태입니다. 따라서 전자와 양자의 수에 불균형이 일어나는 경우 이를 바로 잡으려 노력하게 되지요. 카펫이 여러분의 신발 밑창에서 전자를 뺏었다면 여러분이 뭔가를 만지는 순간 '빠직~'하는 스파크를 느낄 수 있을 것이고, 이 짧은 순간에 모든 것이 다시 평형 상태를 이루게 됩니다.

 

폭풍이 일어날 때 구름의 밑에는 전자가 축적되고, 반대로 구름의 윗부분에서는 전자를 잃게 되죠, 결국 번개가 치면서 이러한 불균형이 평행상태로 돌아가게 됩니다. 번개란 수많은 전자가 한 지점에서 다른 지점으로 매우 빠르게 이동하는 현상이지요. 손전등 회로의 전기는 스파크나 번개보다 훨씬 과격하지 않게 이동합니다. 전자가 한 지점에서 다른 지점으로 훌쩍 뛰어넘어 가는 것이 아니므로 불빛이 안정적이고 지속적으로 빛을 내게 되는 것이지요. 이 회로에서는 회로 내의 어떤 원자가 가지고 있는 전자를 그 옆의 원자에게 빼앗기고, 그 원자는 또 근처에 있는 다른 원자로부터 전자를 가지고 오고, 또 그 원자는 그 옆의 다른 원자로부터 전자를 빼앗아오는 일이 반복됩니다. 다른 말로 하자면 회로에서 전기란 전자가 원자에서 다른 원자로 이동하는 것을 말합니다.

 

전지를 만들 때는 뺄셈 기호로 표시된(음극 단자라 부르고나 음극(anode)이라 합니다.) 부분에서 여유전자를 생성시키고, 반대쪽의 덧셈 기호로 표시된(양극 단자 혹은 양극(cathode)이라 합니다) 부분에서는 추가적인 전자를 요구하는 형태의 상호작용이 일어날 수 있는 화학작용을 선택합니다. 이런 방법으로 화학 에너지가 전기 에너지로 변환되는 것이지요. 배터리에서 일어나는 화학적 상호작용은 전지 안의 화학물질이 소진될 때까지 진행되며, 이 경우 전지를 버리든지 충전해야 합니다. 

 

전지가 1.5 볼트라는 것은 어떤 의미를 가지고 있을까요? 전압(voltage)은 1800년에 처음으로 전지를 발명한 콩테 알렉사드로 볼타(Count Alesandro Volta)의 이름을 따서 지은 이름으로, 전기의 기본적인 개념들 중에는 어려운 축에 속합니다. 전압은 뭔가 일을 할 수 있는 잠재력을 의미합니다. 또한, 전지에 어떤 것이 연결되어 있는지와 관계없이 전압은 존재합니다.

 

더 쉬운 개념으로 전류(current)라는 개념이 있습니다. 전류는 실제로 회로를 따라 빠르게 도는 전자의 개수와 관계가 있습니다. 전류의 측정 단위로는 암페어를 사용하며 이는 안드레 마리 앙뻬르(Andre Marie Ampere)의 이름을 딴 것입니다. 일반적으로는 암페어라는 말 대신 신 10-앰프 퓨즈와 같이 '앰프(amp)'라는 말을 쓰지요. 

물과 수도관을 이용한 비유는 여기서도 도움이 됩니다. 전류는 수도관을 통하여 흘러가는 물의 양과 비슷하며, 전압은 수압과 비슷합니다. 저항은 수도관의 굵기와 유사점이 있습니다. 얇은 수도관을 사용할 때 저항이 더 크고, 물도 더 적게 흐르게 됩니다. 수도관을 통하여 흐르는 물의 양(전류)은 직접적으로 수압(전압)에 비례하고, 수도관의 굵기(저항)에 반비례합니다.

 

전기 회로에서 얼마나 많은 전류가 흐를지는 전압과 저항의 값을 이용하여 계산해 낼 수 있습니다. 물질이 전자의 흐름을 방해하는 속성을 얼마나 가지고 있는지 나타내는 저항 값은 옴(ohm)이라고 하며, 그 유명한 옴의 법칙을 제안한 게오르그 사이먼 옴(Georg Simon Ohm)의 이름을 따서 붙여졌습니다. 옴의 법칙은 다음과 같이 적을 수 있습니다.

 

I = E / R 

 

전구 내부에는 필라멘트라 불리는 가는 전선이 있으며 이는 일반적으로 텅스텐으로 만들어집니다. 필라멘트의 한쪽 끝은 전구 아래 바닥 부분에 있는 접점에 연결되어 있으며, 다른 쪽 끝은 전구 옆 금속 부분의 접점에 연결되어 있습니다. 두 접점은 절연체로 분리되어 있지요. 전선의 저항은 전선을 뜨겁게 만들며 만일 공기 중이라면 텅스텐이 녹아버릴 정도로 뜨거워집니다. 하지만, 전구 내부는 진공 상태이므로 텅스텐은 달구어져서 빛을 발산하게 됩니다. 

대부분의 손전등은 두 개의 배터리를 직렬로 연결하고 있으므로, 전압은 3.0 볼트가 됩니다. 손전등에서 일반적으로 사용되는 전구는 약 4옴 정도의 저항을 가지고 있습니다. 따라서 이때의 전류는 3 볼트를 4옴으로 나누어 얻을 수 있고 0.75 암페어(A)가 되겠지요. 이는 750mA로 적을 수 있고 이것은 전구를 통하여 매초 약 4,680,000,000,000,000,000개의 전자가 흐른다는 것을 의미합니다. 알고 계시겠지만 일반적으로 전구를 사 왔을 때 와트라는 단위가 붙어있는 걸 보셨을 겁니다. 와트는 증기기관에 대한 연구로 잘 알려져 있는 제임스 와트(James Watt)의 이름을 따서 만들어진 단위입니다. 와트는 전력(P)을 나타내는 단위이며 다음과 같이 계산합니다

 

P = E x I

 

위의 식에 의하여 손전등에서 3 볼트(V)와 0.75 앰프(A)를 사용한다는 것은 2.25와트(W) 전구를 사용해야 함을 알 수 있습니다. 집에서 100와트 전구로 불을 켜고 있을지 모르겠습니다. 이 전구들은 집에서 사용하는 120 볼트 전압에 맞추어 설계된 것이지요. 따라서 전구에 흐르는 전류는 100와트를 120 볼트로 나누어 얻을 수 있으며 대략 0.83 암페어 정도가 됩니다.

 따라서 100와트 전구의 저항은 120 볼트를 0.83 암페어로 나누어 얻을 수 있으며 대략 144옴이 됩니다.

 

스위치는 회로에 전기를 흐르게 할 것인지 제어하는 역할을 수행합니다. 스위치로 전기가 흐르게 했다면 '켰다'라고 하거나 '닫혔다'라고 이야기를 하고, 스위치로 전기가 흐르지 않도록 했다면 '껐다'라고 하거나 '열렸다'라고 이야기합니다. 

스위치가 닫혀 있거나 열려 있을 수 있으며, 전류가 흐르거나 흐르지 않을 수 있고, 전구가 켜져 있거나 꺼져 있을 수 있습니다. 모스와 브라이에 의하여 만들어진 이진 코드와 같이, 우리가 살펴본 간단한 손전등도 켜져 있거나 꺼져 있을 수 있습니다. 중간 상태는 없지요. 이진 코드와 간단한 전기 회로의 유사점은 이후의 장에서 매우 유용하다는 것이 밝혀질 것입니다.

 

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