[논리회로] (0) - 디지털시스템과 논리설계, 스위칭 회로에 대하여

 

 

 

 

 

 

🧐 디지털시스템

디지털시스템은 계산 및 데이터 처리, 제어 시스템, 통신 등 광범위한 영역에 사용된다.

아날로그시스템에 비해 더 높은 정확도와 신뢰도를 가질 수 있기 때문에, 과거 아날로그 시스템으로 수행되던 많은 작업들이 현재는 디지털 형태로 실행되고 있다.

아날로그 시스템에서는 물리적 양이나 신호가 특정된 범위 안에 걸쳐서 연속적(continuous)으로 변화하지만, 디지털 시스템에서는 물리적 양이나 신호가 이산적(discrete) 값으로만 가정된다.

이는 주어진 입력에 대해 정확한 출력을 얻을 수 있도록 설계될 수 있기에, 아날로그 시스템보다는 디지털 시스템을 사용하는 것이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 디지털시스템의 설계

디지털 시스템의 설계는 크게 3 부분으로 나눌 수 있다.

 

 

🌱 시스템 설계(System Design)

시스템 설계는 전체 시스템을 서브시스템(subsystem)으로 나누고, 각 서브 시스템의 특성들을 명시한다.

예를 들어 디지털 컴퓨터의 시스템 설계 과정에는 메모리 장치, 산술연산 장치, 입출력 장치들의 수와 유형, 또한 이들의 서브 시스템들과의 연결 및 제어 방법을 명시하고 있다.

 

 

🌱 논리설계(Logic Design)

논리설계는 특정 기능을 수행하기 위해 기본 논리 빌딩블록(builing block)들을 어떻게 상호 연결할 것인가를 정한다.

논리설계의 한 예로는 2진 덧셈을 실행하는 데 필요한 논리게이트나 플립플롭들의 상호 연결 형태를 결정하는 것이다.

 

 

🌱 회로설계(Circuit Design)

회로설계에서는 한 게이트나 플립플롭, 혹은 다른 논리블록을 구성하기 위해, 저항, 다이오드 및 트랜지스터와 같은 특정 부품들의 내부결선을 명시한다.

 

 

 

우리는 이와같은 디지털 시스템의 설계 중 논리설계를 중심적으로 다룰 것이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 스위칭(switching) 회로

많은 디지털시스템의 서브 시스템들은 스위칭회로의 형태를 취하고 있다.

스위칭회로는 이산(discrete)값들을 가진 한 개 이상의 입력과, 한 개 이상의 출력을 가지고 있다.

(즉 입력과 출력은 모두 1개 이상씩 존재하며, 이들은 각각 이산적인 값이다.)

 

스위칭회로의 형태로는 조합회로(combinational circuits)와 순서회로(sequential circuits)가 있다.

 

조합회로에서는 출력값들이 오직 현재의 입력값에만 의존하고 과거의 입력값에는 무관하다.

순서회로에서는 출력이 현재와 과거의 입력값 모두에 의존한다. 즉 순서회로의 출력을 결정하기 위해서는 입력값의 열(sequence)이 반드시 기록되어야 한다.

 

위 조합회로와 순서회로의 특성 상, 조합회로는 메모리를 가지지 않는 반면 순서회로는 과거의 입력값에 대한 열(sequence)을 기억해야 하기 때문에 메모리를 가져야 한다.

따라서 보통 순서회로는 조합회로에 메모리 요소가 덧붙여져 구성된다.

 

 

조합회로는 순서회로보다 설계하기 쉬우므로, 이에 대해 먼저 공부하도록 하겠다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 조합회로(Combinational circuits)

 

조합회로를 구성하는 데 사용되는 기본적인 빌딩블록은 논리게이트(Logic Gate)이다.

우리는 회로의 입력신호를 원하는 출력신호로 변환하기 위해 이러한 논리게이트들을 연결하는 방법을 결정해야 한다.

 

입력과 출력 신호 사이의 관계는 부울 대수(Boolean algebra)를 적용하여 수학적으로 기술될 수 있다.

 

주어진 문제에 대한 서술로부터 시작해서, 조합(논리)회로를 설계하는 첫 단계에서는 회로출력을 회로입력의 함수로 나타내 주는 표나 대수 논리식을 유도한다.

 

이들 출력함수를 구현하는 회로를 경제적으로 설계하려면, 일반적으로 회로출력을 기술한 논리식을 간략화해야 한다.

따라서 우리는 이러한 간략화를 위한 대수 방법을 공부하고, 또한 다른 간략화법(카노맵과 퀸-맥클러스키 방법)을 공부할 것이다.

 

이후 여러 형태의 게이트를 사용하여 간략화된 논리식을 구현하는 방법을 학습한 후, 프로그래머블 논리 소자(programmable logic device)를 사용한 설계법을 다룰 것이다.

 

 

 

디지털시스템에 사용되는 스위칭소자(switching device)들은 일반적으로 2상태(2-state) 소자, 즉 출력이 서로 다른 두 개의 이산값만 가지는 소자이다.

스위칭소자의 예로를 릴레이, 다이오드, 트랜지스터등이 있다.

대부분의 스위칭소자들의 출력은 2개의 서로 다른 값만을 고려하기 때문에, 디지털시스템에서는 내부적으로 2진수를 사용하는 것이 자연스러우며, 이러한 이유로 우리는 2진수와 수의 체계를 먼저 학습한 후 스위칭회로의 설계에 대해 공부를 진행하도록 하겠다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 순차 회로 (Sequential circuits)

순차회로설계에 사용되는 기본 메모리 요소를 플립플롭(flip-flop)이라고 한다.

이러한 플립플롭은 게이트들과 연결하여 카운터와 레지스터를 구성할 수 있다.