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CMOS - TTL interface

1. CMOS의 의미

 CMOS 정보가 사라지면 정말 엉뚱한 일이 벌어진다. 하드디스크를 알아보지도 못하고 A: 드라이브로도 부팅이 안된다. 계속 F1 키만 누르라는 메시지만 뜨는 경우도 있다.

그럼 이름도 요상한 CMOS란 도대체 어떤 것일까?

 컴퓨터는 일반 가정용 전자제품과는 달리 확장성이 매우 뛰어난 기계이다. 컴퓨터는 누구나 쉽게 뚜껑을 열어 볼 수가 있고, 원하는 부품을 구입해 바꾸거나 추가로 설치할 수 있다. 예를 들어 지금 갖고 있는 하드디스크가 부족하다고 느끼면 당장 컴퓨터 매장으로 달려가 하드디스크를 하나 더 구입해 컴퓨터에 장착할 수가 있고 메모리가 모자란다면 메모리를 추가할 수 있다.

 그런데 문제는 이렇게 추가로 장착한 하드웨어를 컴퓨터가 제대로 인식을 하지 못한다는 것이다. 그래서 이러한 하드웨어 정 보를 저장해 두고 부팅할 때마다 참조를 하는데 그 정보를 저장해 두는 특수한 곳이 CMOS 램이다. 그리고 이러한 하드웨어 정 보를 입력하는 과정을 CMOS 셋업이라고 한다.

 CMOS 셋업이란 컴퓨터를 동작시키는 가장 기본적인 입출력장치(BIOS)에 대한 설정을 하는 것이다. 다시 말하면 날짜와 시간 과 같은 것에서부터 메모리, 플로피 드라이브나 하드디스크 등과 같은 장치에 대한 설정을 하는 것이다. 이 CMOS 셋업이 잘못 되면 사용자는 컴퓨터를 전혀 사용하지 못하게 되기 때문에 이에 대해 잘 알아두어야 한다.

일반적으로 사용자들은 CMOS를 건드릴 일이 별로 없다. 컴퓨터를 파는 곳에서 미리 시스템 구성에 맞게 설치를 해 두었기 때문 이다. 하지만 언젠가 한 번쯤은 CMOS 셋업 화면으로 들어가야 할 일이 생기게 될 것이다. 컴퓨터를 사용하다가 CMOS가 바뀌는 경우가 종종 일어나기 때문이다.

 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor, 상보성 금속산화막 반도체)는 일반 RAM과 마찬가지로 전기원이 공급되지 않 으면 정보가 다 없어지지만 이런 현상을 막기 위해 시스템 보드에 있는 내장 밧데리가 전원을 공급해준다..

CMOS는 일부 대기업 XT와 AT 컴퓨터부터 사용되었다. 그럼 일반XT에서는 시스템 정보를 어떻게 저장했을까? XT 컴퓨터의 경우에 는 새로 하드웨어를 추가하면 메인 보드에 있는 점퍼나 딥스위치(DIP Switch)를 일일이 조정해 주어야만 했다. 좁은 시스템 안에 서 메인 보드에 있는 그 조그만 점퍼와 딥스위치를 일일이 맞춰준다는 것, 그 일이 장난이 아닌 것을 조금만 생각해 보면알 수 있을 것이다.

2. 바이오스 (Basic Input/Output System)

 바이오스를 설정한다거나 바이오스 셋업이라는  표현을 상당히 많이 사용한다. 심지어 컴퓨터 전문 필자들도 그렇게 쓰고 있는데, 그만큼 바이오스와 CMOS의 구분을 잘 못하고 혼동하여 쓴다는 얘기가 된다.

이 바이오스는 Basic Input/Output System의 약자로, 메모리, 디스크, 모니터와 같은 주변기기 사이의  정보 전송을 관장하는 프로그램입니다. 프로그램은 프로그램이지만 우리가 흔히 사용하는 아래아 한글과 같은 프로그램은 아니고, 컴퓨터의 하드웨어에  가장 접근되어 있는 함수들의 집합이라고 볼 수 있다.

만일 이 바이오스라는 프로그램이 없다면  우리는 도스나 윈도 95를 사용할 수 없고, 물론 한글도 쓸 수 없다. DOS나 윈도 95, 한글 모두 알게 모르게 결국  이 바이오스의 함수를 호출하여 모든 처리를 하는 것이다.

바이오스는 롬(ROM)에 들어 있기 때문에 흔히 롬 바이오스라고 부른다. 롬은 읽을 수만 있고 쓸 수는  없다는 뜻의 Read Only Memory의 줄임 말이다. 컴퓨터 부팅시 키 누르면  나오는 CMOS 셋업 프로그램과 주변기기 초기화, 자체 진단 루틴도 이 롬 바이오스에 같이 포함되어 있다. 롬에는 쓰기가 불가능하기 때문에 장착된 주변기기에 대한 정보를 저장하려면 쓰기를 할 수 있는 다른 공간이 필요할 것이다. 그리고 저장한 것은 컴퓨터의 전원이 없어도 사라져서는 안된다. 그곳이 바로 CMOS입니다. 우리가 CMOS 셋업 프로그램을 이용해 장착된 주변 기기에 대한 정보를 알려주면 바이오스는 그것에  기초하여 하드웨어를 인식하고 제어할  수 있게 되는 것이다.

3. CMOS(CMOS SETUP)란?

(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)

 CMOS는 Complementary Metal-Oxide Semiconductor의  준말로 상보적 금속 산화물 반도체로 번역하며 그 제조 과정과 반도체의 동작 원리를 여기에서 모두 설명하자면 결국 반도체  공학 한 권을 다 설명해도 CMOS 셋업이 뭐 하는 것인지  이해를 못하게 될 것이다.

CMOS는 반도체의 하나로 '시모스'라고 읽는다. 이것이 사용되는 이유는 다른 반도체 소자에  비해 전력의 소비가 극히  적기 때문이다. 우리가 컴퓨터의 전원을 내려도 여기에 저장된 것은 지워지지 않는데, 그것은 작은 전지로 전력이 공급되기 때문이다. 예전에는 조그만 원통 모양의 충전지를 사용했는데 요즘은 전자 계산기나  전자 시계에 들어가는 것과 비슷한 모양의 전지를 사용한다. 전지의 양쪽을 잠시 동안 단락하면 CMOS에 저장된 모든 데이터는 사라진다. 또 실수로  본체에 나사 하나가 굴러 다녀도 전지가 쉽게 방전해 버려 설정 값이 모두 지워지는 경우도 있다.

컴퓨터, 계산은 빨리 하지만  추리력이나 상상력, 적응력은 없다. 그렇기 때문에 하드 디스크를 그냥 케이블에 연결하고 나머지는 컴퓨터에게 맞겨 놓아도 제대로 인식을 하지 못한다. 사람이 일일이 모두 지정해 주고 닦고 조이고 기름 쳐야  겨우  제 역할을 하게 되는 것이다. PnP(Plug & play)라는 시대를 맞이하여 조금  나아지기는 하였지만 거의 그 자리라고 볼 수밖에 없다.

CMOS SETUP이란 바로 컴퓨터에게 무엇인가를 알려주는 것이다. 어떤 하드 디스크가 장착되어 있는지,  VGA(비디오카드)카드를 사용하는지 아니면 흑백 허큘리스 카드를 사용하는지... 이런 것들은  컴퓨터를 사용하는 사람마다 모두 다르기 때문에 공장에서 미리 일괄적으로 고정할 수가 없다. 사용자의 손을 통해서 CMOS에 저장하고, 컴퓨터는 그 CMOS의 내용을 읽어서 자신에게 어떤 주변기기들이 장착되어 있으며 어떻게 제어를 해야 할지 알게 되는 것이다.

컴퓨터를 완제품으로 구입한 사람은 이미 CMOS 셋업이 잘 되어 있을 것입니다. 따라서 거의 신경을 쓰지 않는다.  하지만 하드 디스크 등을 추가로 장착하거나 아니면 컴퓨터를  자신이 조립하여 사용하는 사람들은  반드시 CMOS SETUP이 필요하다.

CMOS는 기본적으로 ROM이므로 읽기만 가능하고 쓰기는 불가능하다. 하지만 CMOS의 설정값을 모두 지워 버리는 지난 4월 26일에 세계를 강타한 바이러스인 CIH가 바이오스 업그레이드라는 기능을 멋지게 이용한 예라고 볼 수 있다.

4. CMOS의 기능

하드 디스크를 추가/변경할 경우플로피 디스크 드라이브를 추가/변경할 경우

흑백 디스플레이 카드를 사용하다가 VGA 카드로 변경할 경우

부팅 순서를 바꾸고 싶은 경우 (부팅 디스켓으로 부팅하려 할 때)

부팅시 램 검사를 3번이나 하는 경우 1번만 하게 하고 싶을 때윈도 95나 도스 등의 운영체제를 새로 설치할 경우 이상하게 모뎀이 제대로 동작하지 않는 경우

어떤 원인에 의해 CMOS SETUP의 설정치가 모두 변경되거나 지워진 경우

5. CMOS의 역사 및 의의

8비트나 XT 시절의 컴퓨터에는 CMOS 셋업이라는 것이 없었다. 주변기기를 바꿀 때마다 사용자는 일일이 본체를 열고 딥 스위치나 점퍼로 조절해야만 했다. AT부터 비로소 CMOS 셋업이 생겼는데 지금과 달리 초창기에는 디스크에서 파일 형태의 셋업 프로그램을 실행하였다. 나중에는 CMOS SETUP프로그램을 바이오스에 내장하고 부팅할 때 실행하는 형태가 보편적으로 사용되었다.

6. CMOS 셋업으로 들어가기

지금 많이 사용하는 펜티엄 이상 컴퓨터의 CMOS 셋업은 예전의 AT에서 볼 수 있었던 단순한 모습에 비해 지나치게 복잡하다. 초보자들은 거의 건드릴 엄두도 나지 않는 듯 하지만 알고나면 아무것도 아니다. 요즘에 가장 많이 사용하는 바이오스는 어워드 바이오스가 아닐까 한다.  나를 비롯한 많은 사람들이  아마 어워드 바이오스를 사용하는 컴퓨터를 쓰고 있을 텐데, 어워드 바이오스 이외에도 피닉스 바이오스, AMI 바이오스, MR 바이오스 등이 있다. 그러나 내용상으로는 별반 틀리지 않다. 하나만 정복한다면 모두 거기서 거기다.

어워드 바이오스의 부팅시 화면 아래를 잘  보세요. 램 검사를 한 이후에 아래와 같은 메시지가 잠시 나타날 것입니다.

Press DEL to enter SETUP

이는 CMOS 셋업 프로그램을  실행하기 원한다면 키를 누르라는 의미이다. 이 메시지가 보이는 동안에만  키를 눌러 CMOS 셋업에 들어갈 수 있다. 메시지가 지워진 다음에는 아무리 눌러도 소용없다. 잘 모르는 사람이 많은데, 사실은 키 이외에 키를 눌러 CMOS 셋업 프로그램으로 들어갈 수도 있다.

바이오스에 따라 CMOS 셋업에 들어가는 글쇠는 차이가 있다. AMI 바이오스는 , 피닉스 바이오스는, MR 바이오스는 키를 사용한다. 또는 있다.  거의 대부분의 컴은 CMOS 셋업 프로그램을 사용하고 있다. 다른 셋업프로그램을 사용한다 해도 사용법은 CMOS와 거의 같다.

 3. TTL과 CMOS의 IC의 인터페이스

 CMOS와 TTL의 논리레벨 (전압)은 그림과 같이 서로 다르게 정의된다. 이러한 전압레벨의 차이 때문에 CMOS와 T시 IC는 일반적으로 서로 간단하게 연결될 수 없다. 또 CMOS와 T시 IC는 전류특성도 서로 다르다. 그림의 전압과 전류특성을 살펴보면, 표준 TTL의 출력 구동전류는 CMOS 입력을 구동하기 위한 전류보다 큰 값을 갖고 있지만 전압특성을 서로 맞지 않는다. TTL IC의 LOW 출력은 CMOS IC의 LOW 입력 범위 내에 포함되기 때문에 호환이 가능하지만 TTL IC 의 HIGH 출력의 범위는 CMOS IC의 HIGH 입력의 범위를 벗어나기 때문에 호환이 불가능하다. 이러한 전압 레벨의 차이는 회로동작에서 문제를 일으킬 수 있다. 이와 같은 문제는 두 개의 게이트 사이에 풀업 저항을 추가하여 표준 TTL 의 HIGH 출력전압을 거의 +5V에 가까운 값으로 끌어올림으로써 해결할 수 있다. 1KΩ의 풀업 저항을 사용하고 있음을 유의하여야 한다.

 IC 제조회사들은 설계자들이 인터페이스를 쉽게 할 수 있도록 특수한 버퍼나 인터페이스 칩들을 공급하고 있다. 4050 비반전 버퍼가 그와 같은 예이다. 4050버퍼는 두 개의 표준 TTL 입력을 동작시킬 수 있는 구동전류를 공급한다. TTL(혹은 NMOS)과 CMOS 사이에 전압레벨이 호환되지 않는 문제는 풀업 저항을 사용하면 해결 할 수 있다.  74HCT100 시리즈의 CMOS IC는 TTL(혹은 NMOS)과 CMOS 사이의 인터페이스를 편리하게 하기 위해 특별히 설계된 것이다. 74HCT00 시리즈의 CMOS IC는 NMOS와 CMOS 사이의 인터페이스를 위해서도 널리 사용된다. NMOS의 출력특성은 LS-TTL의 출력특성과 거의 같다. 서로 다른 전압에서 동작하는 CMOS IC와 TTL IC를 인터페이스하기 위해서는 일부의 회로를 추가하여야 한다. TTL 인버터가 범용 NPN 트랜지스터를 구동하고 있다. 트랜지스터와 저항들은 저전압의 TTL 출력을 CMOS인버터를 동작시키기 위해 필요한 고전압의 입력으로 변환시켜 주는 역할을 한다. CMOS의 출력은 0V에서 거의 10V에  이르는 전압범위를 갖고 있다. 

 풀업저항은 TTL 의 HIGH 출력을 +5V에 가까운 값으로 끌어올려 COMS IC의 입력특성과 호환이 될 수 있도록 하기 위해 사용되었다. CMOS IC는 LS-TTL과 ALS-TTL(Advanced Low-power Schottky TTL)의 입력은 직접 구동할 수 있지만, 대부분의 표준 TTL의 입력은 인터페이스 회로를 추가하지 않고는 직접 구동할 수 없다.