논리회로설계 01 - What is Logic Desing?

개요

이 글은 Digital Logic Design의 기본 개념을 정리한 글입니다. 디지털 신호가 무엇인지부터 시작해, 논리 연산, 하드웨어 종류, 추상화 계층, 설계 흐름까지 디지털 시스템을 처음 접하는 분도 이해할 수 있도록 순서대로 설명합니다.

크게 세 가지 주제를 다룹니다.

• 1. Digital — 디지털 신호란 무엇인가
• 2. Digital Logic — 논리 연산과 게이트
• 3. Digital Logic Design — 하드웨어 종류와 설계 흐름

 

 

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1. Digital — 디지털이란?

디지털 vs 아날로그

가장 먼저 짚고 넘어가야 할 것은 디지털(Digital)과 아날로그(Analog)의 차이입니다.

구분	디지털 신호	아날로그 신호
값의 종류	유한(Finite) — 0 또는 1	무한(Infinite) — 모든 실수값
신호 형태	이산적(Discrete), 계단형	연속적(Continuous), 부드러운 곡선
미분 가능성	불연속 — 미분 불가	연속 — 미분 가능
예시	MP3, DVD, 컴퓨터 데이터	카세트 테이프, VHS, 자연음

 

샘플링(Sampling)과 해상도(Resolution)

디지털 신호를 이해하는 두 가지 축이 있습니다.

• Y축 — 해상도(Resolution): 값을 얼마나 세밀하게 표현하는가 (몇 단계로 나누는가)
• X축 — 샘플링 레이트(Sampling Rate): 얼마나 자주 값을 측정하는가 (예: 8KHz vs 48KHz)

샘플링 주파수가 높을수록 원래 아날로그 신호에 더 가까운 디지털 신호를 얻을 수 있습니다. 음악의 경우 CD는 44.1KHz, 고음질 오디오는 48KHz 이상을 사용합니다.

 

 

 

디지털화(Digitization)

현실 세계는 대부분 아날로그입니다. 하지만 디지털 시스템은 이를 0과 1로 변환하여 처리합니다. 이 과정을 디지털화(Digitization)라고 합니다.

• 카세트 테이프 → MP3
• VHS → DVD
• 아날로그 카메라 → 디지털 카메라

핵심 정리: 디지털 = 유한한 값(0, 1), 아날로그 = 무한한 값. 실세계는 아날로그이지만, 디지털 시스템은 샘플링을 통해 이를 처리합니다.

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2. Digital Logic — 디지털 논리

디지털 논리란?

디지털 논리(Digital Logic)는 인간의 사고를 문자와 기호로 표현하는 방법입니다. 이산수학(Discrete Mathematics)과 대수(Algebra)를 기반으로 합니다.

George Boole과 불 대수

George Boole (1815~1864)은 1854년 『An Investigation of the Laws of Thought』를 저술하며 이진 변수(Binary Variables)와 세 가지 기본 논리 연산을 소개했습니다. 오늘날 모든 디지털 회로의 이론적 기반이 됩니다.

 

3가지 기본 논리 연산

연산	수식 표현	의미	회로 구조
AND	f(x1, x2) = x1 · x2	둘 다 1일 때만 출력 1	스위치 직렬 연결
OR	f(x1, x2) = x1 + x2	하나라도 1이면 출력 1	스위치 병렬 연결
NOT	f(x1) = ~x1	입력값을 반전	저항 + 스위치

 

 

기본 논리 게이트 (Basic Logic Gates)

위 논리 연산들은 표준 IC 칩(74XX 시리즈)으로 실제 회로에 구현됩니다. 각 칩은 작은 회로 블록이며, 이것들을 서로 연결하여 더 복잡한 기능을 구현합니다.

핵심 정리: AND, OR, NOT 세 가지 게이트만 있으면 세상의 모든 논리 연산을 표현할 수 있습니다. 이것이 디지털 컴퓨터의 근본 원리입니다.

 

 

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3. Digital Logic Design — 디지털 하드웨어

디지털 하드웨어의 3가지 종류

수백만~수십억 개의 논리 게이트를 어떻게 구성하느냐에 따라 하드웨어의 종류가 달라집니다. 크게 세 가지로 나눌 수 있습니다.

항목	ASIC	FPGA	Microprocessor
의미	특정 목적 전용 설계 칩	재프로그래밍 가능한 범용 칩	소프트웨어로 기능 정의
개발 비용	수백만 달러 (매우 비쌈)	중간	저렴
개발 시간	수개월	짧음	매우 짧음
회로 속도	가장 빠름	빠름	상대적으로 느림
유연성(디버깅)	없음 (한번 만들면 고정)	높음 (재프로그래밍 가능)	매우 높음
프로그래밍 언어	—	Verilog / VHDL / SystemC	C, 어셈블리 등

 

FPGA란?

FPGA(Field-Programmable Gate Array)는 가장 일반적인 PLD(Programmable Logic Device)입니다. 제조 이후에도 사용자가 직접 회로를 구성할 수 있으며, 같은 칩을 여러 번 다시 프로그래밍하는 것도 가능합니다.

FPGA는 HDL(Hardware Description Language)로 프로그래밍합니다. 대표적인 HDL은 다음과 같습니다.

• Verilog
• VHDL
• SystemC

FPGA의 내부 구조

 

Microprocessor

하드웨어 자체의 설계는 고정되어 있습니다 – 최종 사용자는 프로그램/소프트웨어를 작성하여 일련의 명령어로서의 기능을 지정합니다

 

 

무어의 법칙 (Moore's Law)

 

칩 밀도는 약 1.5~2년마다 2배씩 증가한다는 법칙입니다. 1971년부터 수십 년간 실제로 들어맞았으며, 오늘날 CPU에는 수십억 개의 트랜지스터가 집적되어 있습니다. 최근에는 물리적 한계에 부딪히면서 "황의 법칙(Hwang's Law)"이라는 대안 개념도 등장했습니다.

 

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4. 추상화 (Abstraction)

컴퓨터 시스템은 다층 구조(Multi-layer)로 이루어져 있습니다. 각 계층은 아래 계층의 복잡한 세부사항을 숨기는 블랙박스(Black-box) 접근을 사용합니다. 덕분에 모든 계층을 동시에 이해하지 않아도, 원하는 계층에 집중하여 시스템을 설계할 수 있습니다.

Digital Logic Design은 Logic + Digital Circuits 계층을 다룹니다. 소프트웨어(상위 계층)나 물리/소자(하위 계층)의 세부사항은 이 범위에서 벗어납니다. 각 계층을 분리하여 이해하면, 아무리 복잡한 시스템도 단계적으로 파악할 수 있습니다.

 

핵심 정리: 추상화란 중요하지 않은 세부사항을 숨기는 것입니다. 덕분에 각 계층을 독립적으로 이해하고 설계할 수 있습니다.

 

 

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5. 디지털 시스템과 설계 루프

디지털 시스템이란?

디지털 입력을 받아 디지털 출력을 내보내는 시스템을 디지털 시스템이라고 합니다. 가장 대표적인 예는 컴퓨터입니다. 키보드로 입력(디지털)을 받아 화면에 결과(디지털)를 출력합니다. 그 외에도 휴대폰, TV 셋톱박스, DVD 플레이어, 디지털 카메라, 지문 인식 장치 등 우리 주변의 수많은 장치가 디지털 시스템에 해당합니다.

디지털 시스템 구현 방식

• 마이크로프로세서 방식: 소프트웨어(프로그램)로 기능을 정의하여 구현

 

 

• 커스텀 회로 방식: 특정 목적에 맞게 하드웨어 회로 자체를 설계

 

 

설계 루프 (Design Loop)

하드웨어 설계는 단번에 완성되지 않습니다. 아래와 같은 순환 과정을 반복하며 완성도를 높여갑니다.

 

1. 설계 개념 (Design Concept) — 무엇을 만들지 목적을 정의합니다.
2. 초기 설계 (Initial Design) — 회로와 로직을 설계합니다.
3. 시뮬레이션 (Simulation) — 소프트웨어로 동작을 검증합니다.
4. 설계 검증 (Design Correct?)
   • YES: 성공적인 설계로 마무리합니다.
   • NO: 재설계(Redesign) 후 시뮬레이션을 다시 진행합니다.

 

 

시뮬레이션으로 검증이 완료되면 실제 PCB 설계와 PCB 디버깅 과정으로 이어집니다.

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핵심 요약

주제	핵심 내용
디지털 vs 아날로그	디지털 = 유한값(0, 1) / 아날로그 = 무한값(연속)
기본 논리 연산	AND, OR, NOT — George Boole이 1854년 창시
하드웨어 3종	ASIC(빠름/비쌈) vs FPGA(유연함) vs Microprocessor(소프트웨어 제어)
추상화	컴퓨터 시스템은 다층 구조이며, 각 계층은 하위 세부사항을 숨긴다
설계 루프	설계 → 시뮬레이션 → 검증 → (오류 시 재설계 반복)
앞으로 다룰 내용	Number System / Logic Gates / Logic Optimization / Combinational & Sequential Logic / HDL

Digital Logic Design — Yongsoo Joo (Kookmin Univ. KESL) | Lecture 2 정리