멀티플렉서

3. 작동 방식

멀티플렉서는 n개의 제어 입력, 2ⁿ개의 데이터 입력, 1개의 데이터 출력을 갖는 회로이다. 회로도에서는 주로 직사각형이나 가로로 긴 사다리꼴 모양으로 표시한다. 사다리꼴 모양의 경우, 짧은 변에는 제어 입력을, 넓은 쪽에는 데이터 입력을, 좁은 쪽에는 데이터 출력을 연결한다.

선택 제어 입력에 따라 여러 개의 입력 신호 중 하나를 선택하여 출력 신호로 내보낸다.

2입력 멀티플렉서는 논리 게이트를 조합하여 간단하게 구현할 수 있다. 입력 A와 B 중 하나를 선택 제어 입력 S의 값에 따라 출력 Y로 선택한다. 이를 곱의 합 표준형으로 표현하면 다음과 같다.

:$Y\; =\; (\; A\; \backslash cdot\; S)\; +\; (B\; \backslash cdot\; \backslash bar\{S\})$

이는 진리표를 사용하여 나타낼 수도 있다.

카르노 맵을 사용하면 다음과 같다.

8입력 멀티플렉서는 8개의 데이터 입력(X₀ ~ X₇)과 3개의 선택 제어 입력(S₄, S₂, S₁)을 갖는다. S₄와 S₁이 참이고 S₂가 거짓이면, 출력은 X₅와 같아진다.

아날로그 회로에서 멀티플렉서는 아날로그 스위치라고도 불리며, 데이터 입출력에 방향성이 없고 양방향으로 신호를 주고받을 수 있다. 4000 시리즈 범용 로직 IC 중 4016, 4066, 4051, 4052, 4053 등이 아날로그 스위치에 해당한다.

멀티플렉서는 여러 대의 감시 카메라 영상을 하나의 디스플레이에서 전환하여 보여주는 등 다양한 분야에 응용된다.

3. 1. 디지털 멀티플렉서

간단하게는 다음과 같이 표현할 수 있다.

위 표는 $S\_0\; =\; 0$일 때 $Z\; =\; A$이고 $S\_0\; =\; 1$일 때 $Z\; =\; B$임을 보여준다. 이 2대 1 멀티플렉서를 간단하게 구현하려면 2개의 AND 게이트, 1개의 OR 게이트, 1개의 NOT 게이트가 필요하다.

더 큰 멀티플렉서도 흔하며, $n$개의 입력에 대해 $\backslash left\; \backslash lceil\; \backslash log\_2(n)\; \backslash right\; \backslash rceil$개의 선택 핀이 필요하다. 다른 일반적인 크기는 4대 1, 8대 1, 16대 1이다. 디지털 논리는 이진 값을 사용하므로, 주어진 선택 입력 수에 대해 최대한 많은 입력을 제어하기 위해 2의 거듭제곱(4, 8, 16)을 사용한다.

다음은 3-상태 버퍼와 AND 게이트를 이용해 구성한 4대 1 멀티플렉서이다. (AND 게이트는 디코더 역할을 한다.)

또는 카르노 맵으로 나타내면 다음과 같다.

8입력 멀티플렉서는 8개의 데이터 입력(X₀ ~ X₇)과 3개의 선택 제어 입력(S₄, S₂, S₁)을 가진다. 예를 들어 S₄와 S₁이 참이고 S₂가 거짓이면, 출력은 X₅와 같아진다.

3. 2. 디지털 디멀티플렉서

4. 응용 분야

멀티플렉서는 여러 데이터 스트림을 결합하여 하나의 다중화된 스트림으로 만든다. 정보 이론에 따르면, 송신 측에는 원래의 대역폭을 합산한 대역폭이 필요하다. 이는 여러 데이터 스트림을 하나의 링크로 전송하여 비용을 절감할 수 있게 해준다.^[1]

수신 측에서는 상응하는 '''디멀티플렉서'''가 다중화된 스트림을 원래의 여러 스트림으로 되돌린다. 수신 측이 단순한 디멀티플렉서가 아닐 수도 있지만, 디멀티플렉서의 기능은 논리적으로 유지된다.^[1] 예를 들어, 멀티플렉서가 여러 IP 네트워크 사용자의 데이터를 결합하고, 라우터가 이를 읽어 내부 프로세서에서 디멀티플렉서 역할을 수행하여 개별 IP 패킷으로 분할하는 경우가 있다.^[1]

멀티플렉서와 디멀티플렉서는 하나의 장치로 통합되어 멀티플렉서라고 불리는 경우가 많다. 양방향 통신을 위해 두 기능이 모두 필요한 경우가 많기 때문이다.^[1]

확률적 컴퓨팅(SC) 분야에서 멀티플렉서는 산술 덧셈을 쉽게 하는 데 활용된다. 이 패러다임에서 데이터는 '1' 비트의 수가 값의 크기를 나타내는 확률 비트스트림으로 표현된다. 멀티플렉서는 SC 회로 내에서 평균 덧셈, 평균 풀링, 중앙값 필터링 등에 널리 사용된다. 또한, SC 도메인 내에서 임의의 수학적 함수를 생성할 수 있는 번스타인 다항식 함수 생성기도 멀티플렉서의 정교한 응용 분야 중 하나이다.^[8] 최근 연구에 따르면 멀티플렉서 조합은 대규모 곱셈-누산 연산을 쉽게 할 수 있으며,^[9] 필드 프로그래머블 게이트 어레이에서 컨볼루션 신경망을 가속화하는 데 활용될 가능성이 있다.

4. 1. 컴퓨터 시스템

5. 고급 기술 및 구현

멀티플렉서를 사용하면 여러 연결을 하나의 신호 채널로 묶을 수 있어 경제적이다. 멀티플렉서의 신호 출력을 디멀티플렉서의 신호 입력에 연결하면, 각 데이터 자원에 대해 별도의 채널을 구현하는 비용보다 멀티플렉싱/디멀티플렉싱 기능을 제공하는 비용이 더 적게 든다.

5. 1. 멀티플렉서 체이닝 (Chaining multiplexers)

6. 관련 IC 목록

다음은 멀티플렉서 및 디멀티플렉서 기능을 제공하는 주요 IC 목록이다.

6. 1. 7400 시리즈

6. 2. 4000 시리즈

7. 추가 정보

• '''다중화(Multiplexing)'''는 통신에서 여러 데이터 스트림을 결합하여 하나의 다중화된 스트림으로 만드는 것이다. 정보 이론에 따르면, 원래 대역폭을 합한 대역폭이 송신 측에 필요하다. 이를 통해 여러 데이터 스트림을 하나의 링크로 전송하여 비용을 절감할 수 있다.
• '''디멀티플렉서(Demultiplexer)'''는 수신 측에서 다중화된 스트림을 원래의 여러 스트림으로 되돌리는 장치이다. 수신 측이 단순한 디멀티플렉서가 아닐 수도 있지만, 디멀티플렉서 기능은 논리적으로 항상 존재한다. 예를 들어, 라우터는 IP 네트워크 사용자들의 데이터를 결합한 신호를 받아 내부 프로세서가 디멀티플렉서 역할을 하여 개별 IP 패킷으로 분할한다.
• '''멀티플렉서'''는 멀티플렉서와 디멀티플렉서를 하나로 통합한 장치를 가리키기도 한다. 양방향 통신을 위해 두 기능이 모두 필요한 경우가 많기 때문이다.
• '''아날로그 스위치'''는 아날로그 회로에서 멀티플렉서 및 셀렉터의 데이터 입출력에 방향성이 없고, 양방향으로 신호를 주고받을 수 있는 회로이다. 원리적으로 멀티플렉서와 셀렉터 기능을 동시에 가진다. 4000 시리즈 범용 로직 IC에서 4016, 4066, 4051, 4052, 4053이 아날로그 스위치이다. (4066은 4016의 온 저항을 낮춘 개선판이다.) 여러 대의 감시 카메라 영상 신호를 하나의 디스플레이에서 받을 때 시간을 정하여 자동으로 영상 신호를 전환하는 등의 전자 회로에 사용된다.

7. 1. 관련 용어

• '''다중화'''(Multiplexing)는 통신에서 여러 데이터 스트림을 결합하여 하나의 다중화된 스트림으로 만드는 것이다. 정보 이론에 따르면, 원래 대역폭을 합한 대역폭이 송신 측에 필요하다. 이를 통해 여러 데이터 스트림을 하나의 링크로 전송하여 비용을 절감할 수 있다.
• '''디멀티플렉서'''(Demultiplexer)는 수신 측에서 다중화된 스트림을 원래의 여러 스트림으로 되돌리는 장치이다. 수신 측이 단순한 디멀티플렉서가 아닐 수도 있지만, 디멀티플렉서 기능은 논리적으로 항상 존재한다. 예를 들어, 라우터는 IP 네트워크 사용자들의 데이터를 결합한 신호를 받아 내부 프로세서가 디멀티플렉서 역할을 하여 개별 IP 패킷으로 분할한다.
• '''멀티플렉서'''는 멀티플렉서와 디멀티플렉서를 하나로 통합한 장치를 가리키기도 한다. 양방향 통신을 위해 두 기능이 모두 필요한 경우가 많기 때문이다.
• '''아날로그 스위치'''는 아날로그 회로에서 멀티플렉서 및 셀렉터의 데이터 입출력에 방향성이 없고, 양방향으로 신호를 주고받을 수 있는 회로이다. 원리적으로 멀티플렉서와 셀렉터 기능을 동시에 가진다. 4000 시리즈 범용 로직 IC에서 4016, 4066, 4051, 4052, 4053이 아날로그 스위치이다. (4066은 4016의 온 저항을 낮춘 개선판이다.) 여러 대의 감시 카메라 영상 신호를 하나의 디스플레이에서 받을 때 시간을 정하여 자동으로 영상 신호를 전환하는 등의 전자 회로에 사용된다.

7. 2. 참고 문헌

참조

_[1] 서적 Network+ Guide to Networks https://books.google[...] Delmar
_[2] 서적 Basic Electronics https://books.google[...] Dorling Kindersley
_[3] 서적 Instrument engineers' handbook: Process software and digital networks https://books.google[...] CRC Press
_[4] 서적 Digital Design and Computer Architecture https://books.google[...] Penrose
_[5] 서적 Introduction to Digital Electronics Elsevier 1998
_[6] 웹사이트 Are switches & multiplexers bidirectional? {{!}} Video {{!}} TI.com https://www.ti.com/v[...] 2023-08-03
_[7] 서적 The TTL Cookbook H.W. Sams 1974
_[8] 간행물 A Reconfigurable Architecture with Sequential Logic-Based Stochastic Computing https://dl.acm.org/d[...] 2017-06-29
_[9] 간행물 Stochastic Computing Convolutional Neural Network Architecture Reinvented for Highly Efficient Artificial Intelligence Workload on Field-Programmable Gate Array 2024-03-04
_[10] 서적 Network+ Guide to Networks https://books.google[...] Delmar