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4비트

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목차

1. 개요

4비트는 4개의 비트로 데이터를 처리하는 방식을 의미한다. 최초의 4비트 마이크로프로세서 중 하나는 1971년에 출시된 인텔 4004로, 계산기 응용 프로그램에 사용되었다. 4비트 프로세서는 16진수 표현에 적합하며, 현재는 초절전 기기, 리모컨, 마우스, 키보드 등 단순한 기능을 제어하는 데 활용된다. 4비트 프로세서 목록에는 인텔 4004, TMS 1000, HP 새턴 등이 있다.

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    바이트는 디지털 정보의 기본 단위로, 일반적으로 8비트로 구성되지만, 역사적으로는 다양한 비트 수를 가질 수 있었으며, 컴퓨터 메모리 용량이나 데이터 크기를 나타내는 데 널리 사용된다.
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4비트
4비트 컴퓨팅
역사최초의 상업적으로 성공한 마이크로프로세서 중 일부는 4비트였음. 인텔 4004 및 텍사스 인스트루먼츠 TMS1000이 그 예임.
이들 칩은 계산기, 소형 단말기 및 산업용 공정 제어와 같은 응용 분야에 사용되었음.
인텔 4004는 1971년에 출시되었으며 일반적으로 최초의 진정한 마이크로프로세서로 간주됨.
다른 4비트 프로세서로는 로크웰 PPS-4 및 도시바 TLCS-47이 있음.
용도4비트 마이크로프로세서는 일반적으로 내장 시스템에서 사용됨.
예를 들어, 장난감, 가전제품 및 산업용 제어 장치에 사용될 수 있음.
이들은 또한 더 큰 워드 크기의 다른 유형의 CPU의 산술 논리 장치 (ALU)에서 비트 슬라이스 구성 요소로 사용될 수 있음.
4비트 프로세서는 더 낮은 데이터 처리량으로 인해 데스크톱 컴퓨터 응용 프로그램에는 적합하지 않음.
특징4비트 프로세서는 일반적으로 더 큰 워드 크기의 프로세서보다 더 간단하고 저렴함.
또한 전력 소비가 적어 배터리 구동 장치에 적합함.
그러나 처리할 수 있는 메모리 양이 제한되어 있어 대규모 데이터 세트를 처리하는 데 적합하지 않음.
프로그래밍4비트 프로세서용 프로그래밍은 어려울 수 있음.
이는 사용 가능한 메모리 양이 제한되어 있고 명령어 세트가 일반적으로 더 큰 워드 크기의 프로세서보다 더 간단하기 때문임.
그러나 4비트 프로세서를 프로그래밍하는 데 사용할 수 있는 다양한 도구가 있음.
이러한 도구에는 어셈블러, 컴파일러 및 디버거가 포함됨.
장점단순성
저렴함
저전력 소비
단점제한된 메모리
낮은 데이터 처리량
어려운 프로그래밍

2. 역사

4비트 프로세서는 제한적으로 보일 수 있지만, 각 십진수 자릿수가 4비트에 맞는 계산기에 적합하다.[1]

최초의 마이크로프로세서 중 일부는 4비트 워드 길이를 가졌으며 1970년경에 개발되었다. 최초의 상업용 마이크로프로세서는 1971년에 계산기 응용 프로그램용으로 개발된 이진화 십진법(BCD 기반) 인텔 4004[8][9]였다. 이 프로세서는 4비트 워드 길이를 가졌지만 8비트 명령과 12비트 주소를 가졌다. 인텔 4040은 인터럽트 지원 및 다양한 기타 새로운 기능을 추가하여 인텔 4004를 계승하였다.

16핀 DIP – 인텔 C4004


최초의 상업용 단일 칩 컴퓨터는 4비트 텍사스 인스트루먼트 TMS 1000(1974년)이었다.[1] 이 컴퓨터는 하버드 아키텍처를 갖춘 4비트 CPU와 8비트 너비의 명령, 온칩 명령 ROM, 4비트 워드를 갖춘 온칩 데이터 RAM을 포함했다.[10]

록웰 PPS-4는 1972년에 출시된 또 다른 초기 4비트 프로세서로, 휴대용 게임 등에서 오랫동안 사용되었다. 꾸준히 개선되었고 1975년까지 여러 지원 칩과 결합되어 원칩 컴퓨터를 만들었다.[2]

4비트 프로세서는 프로그램의 극심한 크기 제약과 C 프로그래밍 언어와 같은 일반적인 프로그래밍 언어(마이크로컨트롤러의 경우 8비트 이상)가 4비트 데이터 형식을 지원하지 않기 때문에 어셈블리 언어 또는 Forth로 프로그래밍되었다("MARC4 Family of 4 bit Forth CPU"[11], 현재는 단종됨). C, C++ 및 더 많은 언어는 char 데이터 유형의 크기가 최소 8비트여야 하고[12], 비트 필드를 제외한 모든 데이터 유형의 크기는 문자 크기의 배수여야 한다.[13][14][15]

1970년대에는 포켓 계산기와 같은 대량 시장을 위한 4비트 소프트웨어 응용 프로그램이 등장했다. 1980년대에는 4비트 마이크로프로세서가 비용 절감을 위해 휴대용 전자 게임에 사용되었다.

20핀 PSOP – NEC D63GS: 적외선 리모콘 전송용 4비트 마이크로컨트롤러


적외선 리모콘 PCB – NEC D63GS 4비트 마이크로컨트롤러로 제어되는 적외선 리모콘 송신기


1970년대와 1980년대에는 CPU의 산술 논리 장치(ALU)가 Am2901 또는 74181과 같은 칩을 포함하는 여러 4비트 너비 섹션으로 구성된 비트 슬라이싱을 사용하는 여러 연구 및 상업용 컴퓨터가 있었다.

Zilog Z80은 8비트 마이크로프로세서이지만 4비트 ALU를 가지고 있다.[16][17]

데이터 제너럴 노바는 일련의 16비트 미니컴퓨터이지만, 최초의 노바와 노바 1200은 내부적으로 한 번에 4비트씩, 4비트 ALU로 숫자를 처리했다.[3] 때로는 "니블 직렬"이라고 불리기도 한다.[4]

1984년에서 2003년 사이에 많은 휴렛 팩커드 계산기(HP 48 시리즈 과학 계산기 포함)에 사용된 HP 새턴 프로세서는 "4비트"(또는 하이브리드 64-/4비트) 머신이다. 인텔 4004와 마찬가지로 여러 4비트 워드를 함께 연결하여 예를 들어 20비트 메모리 주소를 형성하며, 대부분의 레지스터는 64비트 너비로 16개의 4비트 숫자를 저장한다.[18][19][20]

National Semiconductor MAPS MM570X 비트 직렬 4비트 마이크로컨트롤러를 사용하는 올림피아 CD700 데스크탑 계산기


1967년 카시오 AL-1000, 1972년 싱클레어 이그제큐티브, 그리고 언급된 1984년 HP 새턴과 같은 일부 초기 계산기에는 한 번에 4비트(1 BCD 숫자)씩 레지스터에 접근하는 4비트 데이터 경로가 있었다.[5] 최초의 마이크로프로세서 중 하나인 4004는 4비트 아키텍처인데, 이는 (당시 집적도의 한계도 있지만) 초기 목적이 계산기였고, 계산기는 이진법이 아닌 십진법이기 때문에, 섣불리 비트 수를 늘리는 것보다 프로그램으로 십진수 한 자릿수마다 BCD로 다루는 것이 더 편리한 아키텍처였다고 할 수 있다.

현재에도 그다지 복잡하지 않은 다기능 바늘 시계 제어 등을 비롯하여 초절전 기기나, 단순한 기능만을 가진 리모컨, 마우스, 키보드 등의 제어용으로 4비트 아키텍처는 현역으로 사용되고 있다.

와타나베 이쿠의 기술 서적 "CPU의 제작법"[36]에서는 표준 로직 IC를 이용한 전자 회로로 독자적인 4비트 아키텍처 CPU의 제작 사례를 소개하고 있다. 또한, Verilog-HDL로 기술하여 CPLD/FPGA로 구현한 예도 있다.[37]

3. 특징

4비트를 사용하면 16가지의 서로 다른 값을 만들 수 있다. 모든 한 자리 16진법 숫자는 4비트로 표현할 수 있다.

2진화 십진법(BCD)은 각 십진수 자릿수를 4비트로 표현하여 숫자를 나타내는 디지털 인코딩 방식이다. 세계 최초의 마이크로프로세서 중 하나인 4004는 4비트 아키텍처인데, 이는 초기 목적이 계산기였고, 계산기는 십진법을 사용하기 때문에, 비트 수를 늘리는 것보다 프로그램으로 십진수 한 자릿수마다 BCD로 다루는 것이 더 편리했기 때문이다.

현재에도 초절전 기기나, 단순한 기능만을 가진 리모컨, 마우스, 키보드 등의 제어용으로 4비트 아키텍처는 현역으로 사용되고 있다.

와타나베 이쿠의 기술 서적 "CPU의 제작법"[36]에서는 표준 로직 IC를 이용한 전자 회로로 독자적인 4비트 아키텍처 CPU의 제작 사례를 소개하고 있다. 또한, Verilog-HDL로 기술하여 CPLD/FPGA로 구현한 예도 있다[37]。

4. 응용 분야

어떤 자전거 컴퓨터는 "4비트, 1칩 마이크로컴퓨터"를 사용한다고 명시한다.[21] 커피 메이커, 적외선 리모컨,[22] 보안 경보[23] 등도 4비트 마이크로컴퓨터를 사용하는 일반적인 예이다.

암호화가 가능한 바비 타자기의 프로세서는 4비트 마이크로컨트롤러이다.[6] 세계 최초의 마이크로프로세서 중 하나로 여겨지는 4004는 4비트 아키텍처를 사용하는데, 이는 (당시 집적도의 한계도 있었지만) 초기 목적이 계산기였고, 계산기는 이진법이 아닌 십진법을 사용하기 때문이다. 따라서 섣불리 비트 수를 늘리는 것보다 프로그램으로 십진수 한 자릿수마다 BCD로 다루는 것이 더 편리한 아키텍처였다고 할 수 있다.

현재에도 4비트 아키텍처는 초절전 기기나, 단순한 기능만을 가진 리모컨, 마우스, 키보드 등의 제어용, 그리고 그다지 복잡하지 않은 다기능 바늘 시계 제어 등에 현역으로 사용되고 있다.

와타나베 이쿠의 기술 서적 "CPU의 제작법"[36]에서는 표준 로직 IC를 이용한 전자 회로로 독자적인 4비트 아키텍처 CPU의 제작 사례를 소개하고 있다. 또한, Verilog-HDL로 기술하여 CPLD/FPGA로 구현한 예도 있다.[37]

5. 4비트 프로세서 목록

4비트 프로세서는 제한적으로 보일 수 있지만, 각 십진수 자릿수가 4비트에 맞는 계산기에 적합하다.[1] 1970년대에는 포켓 계산기와 같은 대량 시장을 위한 4비트 소프트웨어 응용 프로그램이 등장했고, 1980년대에는 비용 절감을 위해 휴대용 전자 게임에 사용되었다.

최초의 상업용 단일 칩 컴퓨터는 4비트 텍사스 인스트루먼트 TMS 1000 (1974년)이었다.[1] 록웰 PPS-4는 1972년에 출시된 또 다른 초기 4비트 프로세서이다.

National Semiconductor MM5700CA/D 비트 직렬 4비트 마이크로컨트롤러


다음은 현재는 단종되었거나, 추가적인 4비트 프로세서 목록이다.

프로세서비고
TMS 10001974년 최초의 대량 생산 상용 마이크로컨트롤러, 현재 단종
삼성전자 S3C7 (KS57 시리즈)4비트 마이크로컨트롤러 (RAM: 512~5264 니블, 6 MHz 클럭)
NEC μPD75X
NEC μCOM-4
NEC (현재 르네사스) μPD612xA, μPD613x, μPD6x[22][27], μPD1724x[28]적외선 리모콘 송신기 마이크로컨트롤러[29][30] (μPD612xA는 단종)
EM 마이크로일렉트로닉-마린 EM6600 제품군,[31] EM6580,[32][33] EM6682,[34] 등
엡손 S1C63 제품군
내셔널 세미컨덕터 "COPS I", "COPS II" ("COP400") 4비트 마이크로컨트롤러 제품군[7]
내셔널 세미컨덕터 MAPS MM570X
샤프 SM590/SM591/SM595[35]
샤프 SM550/SM551/SM552[35]
샤프 SM578/SM579[35]
샤프 SM5E4[35]
샤프 LU5E4POP[35]
샤프 SM5J5/SM5J6[35]
샤프 SM530[35]
샤프 SM531[35]
샤프 SM500[35]ROM 1197×8 비트, RAM 40×4 비트, 제산기 및 56-세그먼트 LCD 드라이버 회로
샤프 SM5K1[35]
샤프 SM4A[35]
샤프 SM510[35]ROM 2772×8 비트, RAM 128×4 비트, 제산기 및 132-세그먼트 LCD 드라이버 회로
샤프 SM511/SM512[35]ROM 4032×8 비트, RAM 128/142×4 비트, 제산기 및 136/200-세그먼트 LCD 드라이버 회로
샤프 SM563[35]


5. 1. 주요 4비트 프로세서

다음은 주요 4비트 프로세서 목록이다.

4004는 세계 최초의 마이크로프로세서 중 하나로, 4비트 아키텍처를 사용했다. 이는 당시 집적도 한계와 더불어, 계산기가 주 용도였기 때문이다. 계산기는 이진법이 아닌 십진법을 사용하므로, 비트 수를 늘리는 것보다 프로그램으로 십진수 한 자릿수마다 BCD로 처리하는 것이 더 효율적이었다.

4비트 아키텍처는 현재에도 리모컨, 마우스, 키보드 등 단순 제어용이나 초절전 기기에 쓰이고 있다.

와타나베 이쿠의 "CPU의 제작법"[36]에서는 표준 로직 IC를 사용한 4비트 CPU 제작 사례를, Verilog-HDL로 기술하여 CPLD/FPGA로 구현한 예[37]도 소개하고 있다.

5. 2. 기타 4비트 프로세서

참조

[1] 웹사이트 Reverse engineering RAM storage in early Texas Instruments calculator chips https://www.righto.c[...]
[2] 웹사이트 Rockwell PPS-4 http://www.antiquete[...]
[3] 인터뷰 Oral History of Edson (Ed) D. de Castro http://archive.compu[...] 2002-11-22
[4] 문서 Nova 1200 https://rcsri.org/co[...]
[5] 문서 Desk Electronic Calculators: Casio AL-1000 http://www.vintageca[...]
[6] 문서 Barbie Typewriter https://www.cryptomu[...] Crypto Museum 2015
[7] 웹사이트 National Semiconductor: The COP before the COPS http://www.cpushack.[...] 2020-05-28
[8] 웹사이트 The Microcomputer Revolution http://www.clemson.e[...] 2009-12-23
[9] 웹사이트 History in the Computing Curriculum http://www.hofstra.e[...] 2017-06-22
[10] 서적 TMS 1000 Series Data Manual http://blog.kevtris.[...] Texas Instruments 2013-07-20
[11] 웹사이트 Forth Chips http://www.ultratech[...]
[12] 서적 ISO/IEC 9899:1999 specification https://c0x.shape-of[...] 2023-07-24
[13] 서적 ISO/IEC 9899:1999 specification https://c0x.shape-of[...] 2023-07-24
[14] 웹사이트 C++ FAQ: the rules about bytes, chars, and characters http://www.parashift[...]
[15] 웹사이트 4-bit integer http://www.cplusplus[...] cplusplus.com 2014-11-21
[16] 웹사이트 Zilog Oral History Panel on the Founding of the Company and the Development of the Z80 Microprocessor https://archive.comp[...] 2007-04-27
[17] 웹사이트 The Z-80 has a 4-bit ALU http://www.righto.co[...]
[18] 웹사이트 The Saturn Processor http://www.hpmuseum.[...] 2015-12-23
[19] 웹사이트 Guide to the Saturn Processor http://grack.com/wri[...] 2014-01-14
[20] 웹사이트 Introduction to Saturn Assembly Language http://www.hpcalc.or[...] 2014-01-14
[21] 웹사이트 Cateye Commuter Manual http://cateye.com/im[...] 2014-02-11
[22] 웹사이트 μPD67, 67A, 68, 68A, 69 4-bit single-chip microcontroller for infrared remote control transmission http://documentation[...]
[23] 웹사이트 Introduction to Digital Logic and Microprocessors (Lecture 12.2) http://cse.secs.oakl[...] 2014-02-11
[24] 웹사이트 MARC4 4-bit Microcontrollers – Programmer's Guide http://www.atmel.com[...] Atmel 2014-01-14
[25] 웹사이트 MARC4 4-Bit Architecture http://www.atmel.com[...] Atmel
[26] 웹사이트 Product End-of-Life (EOL) Notification http://www.atmel.com[...] Atmel 2014-03-07
[27] 웹사이트 μPD6P9 4-bit single-chip microcontroller for infrared remote control transmission http://documentation[...]
[28] 웹사이트 μPD17240, 17241, 17242, 17243, 17244, 17245, 17246 4-bit single-chip microcontrollers for small general-purpose infrared remote control transmitters http://documentation[...]
[29] 웹사이트 Microcontrollers for Remote Controllers http://documentation[...]
[30] 웹사이트 Mask ROM/ROMless Products 4/8bit Remote Control http://www.necel.com[...]
[31] 웹사이트 Embedded Processing Directory http://www.embeddedi[...]
[32] 웹사이트 EM6580 http://www.emmarin.c[...] 2013-05-12
[33] 웹사이트 EM6580 https://www.emmicroe[...]
[34] 웹사이트 EM6682 https://www.emmicroe[...]
[35] 서적 Sharp Microcomputers Data Book http://bitsavers.org[...] 2018-01-05
[36] 서적 CPUの創りかた 毎日コミュニケーションズ 2003
[37] 웹사이트 CPLD with Verilog https://geodenx.blog[...] 2004


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