Rust로 작성해 보는 컴퓨터 구조 (1) - 트랜지스터

트랜지스터는 여러 용도로 쓸 수 있는 전자 소자다. 그 중에서 트랜지스터의 스위치 작용만 이용하는 트랜지스터 모델을 만들 것이다. 이 글에서는 트랜지스터의 여러 반도체 소자 특성은 생략하고 스위치 대용으로 트랜지스터를 쓸 것이기 때문이다.

위 그림은 회로도에서 쓰는 트랜지스터 기호다. 트랜지스터 동작과 원리에 대한 자세한 설명은 생략한다. 모델을 만드는데 필요한 내용만 설명한다. 위 그림에 B, C, E로 표시한 신호선이 있다. C에 전기 신호를 준 상태에서 B에 아무 입력을 주지 않으면 E로 출력이 나가지 않는다. B에 신호를 줄 때만 E에 출력이 나간다. 쉽게 말해 C에 신호가 들어가 있는 상태에서 스위치를 누르면(B에 신호를 주면) E로 출력 신호가 나간다고 이해해도 된다. 트랜지스터 모델을 만드는데는 이 정도 설명이면 충분하다.

{caption="transistor.rs | 트랜지스터 모델"}
 
pub struct Transistor {
    pub conn_c: bool,
    pub conn_e: bool,
    pub conn_b: bool,
}
 
impl Transistor {
    pub fn new() -> Transistor {
        Transistor {
            conn_c: false,
            conn_e: false,
            conn_b: false,
        }
    }
}
 
impl Transistor {
    pub fn proc(&mut self, input: bool) -> bool {
        self.conn_b = input;
 
        self.conn_e = false;
 
        if self.conn_c && self.conn_b {
            self.conn_e = true;
        }
 
        return self.conn_e; 
    }
}

직관적으로 이해 가능한 쉬운 코드다. 트랜지스터는 신호선이 세 개다. 첫번째 줄에서 5번째 줄이 신호선을 정의한 코드다. 7번째 줄에서 15번째 줄은 C++로 치면 일종의 생성자다. 엄밀히는 팩토리 패턴에서 스테이틱 인스턴스 제네레이터에 가깝지만 러스트에서는 기본값을 넣어서 인스턴스를 생성하는 많이 쓰는 코드 스킬이다. 18번째 줄에서 27번째 줄이 트랜지스터 모델의 동작을 구현한 코드다. B, C, E 신호선의 관계를 코드로 그대로 옮겼다. C와 B에 true 신호가 있을 때만 E에 true에 출력한다. 그 외에는 E에 false를 출력한다.

트랜지스터 모델을 테스트하는 코드를 main.rs에 작성한다. 방법은 인버터를 테스트할 때와 같다. 트랜지스터 모델 인스턴스를 선언하고 각 신호선에 true와 false를 넣어보고 출력값을 확인한다. 출력값이 기대하는 출력값과 같으면 제대로 모델링 한 것이다.

{caption="main.rs | 트랜지스터 모델 테스트"}
 
mod transistor;
 
fn main() {
    let mut tr = transistor::Transistor::new();
    tr.conn_c = false;
    println!("Test transistor, c=false, (true) -> ({})", tr.proc(true));
    println!("Test transistor, c=false, (false) -> ({})", tr.proc(false));
    tr.conn_c = true;
    println!("Test transistor, c=true, (true) -> ({})", tr.proc(true));
    println!("Test transistor, c=true, (false) -> ({})", tr.proc(false));
}

첫 번째 줄에 transistor 모듈을 선언한 코드를 추가했다. 그리고 4번째 줄에서 10번째 줄이 트랜지스터 모델을 테스트하려고 작성한 코드다. 4번째 줄에서 트랜지스터 모델의 인스턴스를 선언했다. 5번째 줄에서 신호선 C에 false를 입력했다. 그러면 신호선 B에 뭘 입력하든 출력은 항상 false여야 한다. 8번째 줄에는 신호선 C에 true를 입력했다. 따라서 신호선 B에 true를 입력하면 true를 출력하고 false를 입력하면 false를 출력해야한다. 빌드하고 실행해서 확인한다.

Test transistor, c=false, (true) -> (false)
Test transistor, c=false, (false) -> (false)
Test transistor, c=true, (true) -> (true)
Test transistor, c=true, (false) -> (false)

위는 실행 결과다. 기대했던 결과를 출력했다. 따라서 트랜지스터 모델이 정상 동작함을 확인했다.