什么是数字集成电路？

在快速的现代电子世界中，数字集成电路（ICS）是无名英雄，从我们的智能手机和笔记本电脑到复杂的超级计算机和工业控制系统的所有力量。但是，数字集成电路到底是什么？

数字集成电路，也称为逻辑集成电路，是一种电子电路，旨在处理和操纵数字信号。它基于数字逻辑的原理，该原理使用二进制数字（0和1）来表示信息。这些电路是在通常由硅制成的单个半导体底物上制造的，并包含大量相互连接的电子组件，例如晶体管，电阻器，电容器和二极管。

数字集成电路的逻辑功能

数字逻辑电路可以分为两类：组合逻辑电路和顺序逻辑电路。在组合逻辑电路中，任何时候的输出仅取决于当时的输入，而不是电路的先前工作状态。最常用的组合逻辑电路包括编码器，解码器，数据选择器，弹能器，数值比较器，完整加法器和奇偶校验检查器等。

Combinational Logic Circuit.png

图1。组合逻辑电路

在顺序逻辑电路中，任何时候的输出不仅取决于当时的输入，还取决于电路的原始状态。因此，顺序逻辑电路必须具有内存函数，并且必须包括存储单元电路。寄存器，换档寄存器和计数器是最常用的顺序逻辑电路。

Sequential Logic Circuit.png

图2。顺序逻辑电路

对于这两种类型的逻辑电路的不同应用，有标准化和序列化的集成电路产品，通常称为通用通用电路。相应地，为特定目的而设计和制造的那些集成电路称为应用特定的集成电路（ASIC）。

数字集成电路的内部设计

数字电路由组合逻辑和注册（触发器）组成。组合逻辑是由基本门电路组成的函数，其输出仅取决于当前输入。图3中的第一个图说明了组合逻辑，仅执行逻辑操作。相比之下，连续电路不仅包含基本门电路，还包含用于保留过去信息的存储元素。顺序电路的稳态输出与先前输入形成的电流输入和状态有关。在进行逻辑操作时，可以将处理结果暂时存储在下一个操作中，如第二图所示。
在功能上，数字集成电路的内部可以分为两个部分：数据路径和控制逻辑。这两个部分都集成了大量的顺序逻辑电路，其中大多数是同步的顺序电路。顺序电路通过多个寄存器将几个节点分为几个节点，这些寄存器在时钟的控制下以相同的节奏运行，从而简化了设计过程。

Internal Structure of Digital Integrated Circuits.png

图3。数字集成电路的内部结构

在长期的设计实践中，已经开发了许多标准通用单元。这些包括选择器（也称为多路复用器，可以从多个输入数据中选择一个输出），比较器（用于比较两个数字的幅度），加法器，乘数，移位寄存器等。这些单元电路具有常规形状，易于集成，这也是为什么数字电路在集成电路中取得更好开发的原因。
这些单元根据设计要求连接以形成数据路径。要处理的数据通过此路径从输入端传输到输出端，并获得了最终的处理结果。同时，专门设计的控制逻辑和控制数据路径的每个组件应根据其各自的功能要求和特定的时序关系运行。

数字集成芯片的模型

一个模型数字集成芯片通常由三个部分组成：前缀，序列号和后缀，每个都带有特定信息：

前缀：它主要代表制造商或芯片所属的系列。例如，“ 74”系列是由多首页制造商生产的TTL数字芯片的常见前缀。 “ CD40”系列是CMOS芯片的典型前缀，由Texas Instruments（TI）等制造商主导。

序列号：用于区分芯片的特定功能模型。例如，74LS00中的“ 00”表示芯片是Quad 2输入NAND门，而74HC595中的“ 595”代表了8位移位寄存器。

后缀：它通常标记参数，例如芯片的包装形式和温度范围。例如，“ DIP”代表双线内包，“ SMD”用于表面安装设备软件包； “ -40℃〜85℃”表示芯片的工作温度范围。

该模型命名方法为设计师提供了方便的识别基础，使他们能够快速判断芯片的功能，适用的方案和物理特征。

数字集成芯片的类型

基于电路结构，功能和应用程序场景数字集成芯片可以分为以下主要类型：

1。按电路结构分类

TTL（晶体管 - 横向器逻辑）芯片：它们以双极晶体管为中心，并依靠电子和孔进行传导。它们具有快速的开关速度和强大的驾驶功能，但功耗相对较高。常见的74系列（例如74LS138解码器）属于TTL芯片，并广泛用于早期数字系统中。

CMOS（互补金属 - O化物 - O化芯片）芯片：它们由PMOS和NMOS晶体管的互补结构组成，仅使用一种类型的载体进行电。它们具有低功耗，高输入阻抗和广泛的电源电压范围等优势，使其成为目前的主流类型的数字芯片类型。示例包括CD4000系列和74HC系列（例如74HC04逆变器），这些系列被广泛用于便携式设备和低功率系统。

2。按函数分类

逻辑门芯片：他们实施基本的逻辑操作，是复杂电路的基础。它们包括和门（例如74LS08）或门（例如74LS32），而不是门（例如74LS04）和复合逻辑门（例如NAND GATE 74LS00和NOR GATE 74LS02）。

顺序逻辑芯片：它们包含存储单元，其输出取决于当前的输入和历史状态，用于实现诸如计数和存储之类的功能。示例包括4位计数器74LS161、8位寄存器74LS373和移位寄存器74LS164。

数据处理芯片：它们用于特定操作，例如数据选择，编码和解码。例如，8-1数据选择器74LS151、3-8线解码器74LS138和BCD至7段显示解码器74LS48。

3。按应用程序方案分类

通用综合电路：专为标准化功能而设计，适用于多种情况，具有多功能性和互换性。上述逻辑门，计数器，寄存器等都属于此类别。例如，74系列和CD4000系列芯片可以在各种数字系统中灵活使用。

应用特定的集成电路（ASIC）：针对特定方案进行定制设计，例如智能手机中的参考图片信号处理芯片和板载控制芯片在汽车电子产品中。 ASIC可以在最大程度上优化性能并降低功耗，但具有较高的设计成本和较长的周期，使其适合于批量生产的专用设备。

可编程逻辑设备（PLD）：包括FPGA（现场编程的门数组）和CPLD（复杂的可编程逻辑设备），它们允许用户通过编程自定义逻辑功能。例如，Xilinx的Spartan系列FPGA可用于原型开发或小批量定制方案，平衡灵活性和性能。

这些不同类型的数字集成芯片共同支持从简单逻辑控制到复杂数字系统的所有事物的构建，满足各种电子设计需求。

基于集成量表的数字集成电路分类

小规模集成（SSI）：SSI电路通常包含多达10个门或几十个组件。这些电路通常用于简单数字系统中的基本逻辑功能。例如，一个7400芯片，其中包含四个两个输入NAND门，是一个常见的SSI设备。它可以用于应用程序中的简单逻辑控制电路，其中需要基本的逻辑操作。

中等规模集成（MSI）：MSI电路具有10至100个大门或几百个组件。它们用于更复杂的功能。 74161芯片是4位同步计数器，是MSI设备的一个示例。计数器被广泛用于数字系统中，用于诸如计数事件，生成正时信号和控制操作顺序之类的任务。

大秤集成（LSI）：LSI电路包含100至10,000个大门或数千个组件。诸如早期静态随机的记忆芯片 - 访Q记忆（SRAM）和简单的微处理器是LSI设备的示例。使用LSI技术可以实现8位微处理器。它可以执行一组指令，执行算术和逻辑操作，并控制数字系统中的数据流。

非常大 - 比例集成（VLSI）：VLSI电路有10,000多个大门或数十万到数百万的组件。现代的微处理器，例如在个人计算机中发现的，以及大容量动态随机 - 访Q记忆（DRAM）是VLSI设备的经典示例。高端桌面CPU可能包含数十亿个晶体管，这些晶体管被组织成复杂的逻辑电路，以执行非常快速和复杂的计算任务。

Ultra -lige -scale集成（ULSI）和GIGA-秤集成（GSI）：Ulsi是指具有更高水平的整合水平的电路，通常是在数千万的组件中。 GSI是一个更高级的阶段，涉及在一个芯片上集成十亿个组件。状态 - of - 艺术手机处理器和一些高性能图形处理单元（GPU）属于此类别。这些芯片能够以高速处理大量数据并执行复杂操作，从而使高定义视频处理，真实 - T3D图形渲染和高级人工智能算法等功能。

digital我ntegredcircuits	nUmber的g吃电路	组件数量
SSI电路	10	＆le;100
MSI电路	10-100	100-1000
LSI电路	> 100	1,000-10,000
VLSI电路	> 10,000	100,000-1,000,000
乌尔西电路	> 100,000	1,000,000-10,000,000

数字集成电路如何工作？

数字集成电路根据二进制系统运行。电路作用中的晶体管作为开关。当打开晶体管时，它代表逻辑1（通常是高电压级别），当关闭它时，它表示逻辑0（通常是低压电平）。电流通过这些晶体管的流动由应用于电路的输入信号控制。
在更复杂的数字集成电路（例如微处理器）中，这些基本逻辑元素中的许多基本元素以层次方式组合和组织。微处理器从内存中获取指令，解码它们以了解需要执行哪些操作，然后使用算术和逻辑单元（ALUS）（ALUS）和其他功能块在芯片中执行这些指令。数据存储并操纵在寄存器中，这些寄存器本质上很小，快速 - 访Q存储器元素。

使用和应用数字集成电路

微处理器：微处理器是计算机系统的大脑。他们执行一组存储在内存中的指令，以执行诸如算术操作，数据操作以及对系统中其他组件的控制等任务。例如，台式机和笔记本电脑中使用的英特尔核心系列处理器每秒可以执行数十亿个说明。它们被设计为高度用途，可以编程以处理各种应用程序，从文字处理和网络浏览到复杂的科学模拟和游戏。

内存IC：内存集成电路用于存储数据和程序。有两种类型：读取 - 仅记忆（ROM）和随机 - 访Q存储器（RAM）。 ROM永久存储数据，并用于将基本输入/输出系统（BIOS）保存在包含启动指令的计算机中。另一方面，RAM是挥发性内存，用于临时存储计算机当前正在使用的数据。动态随机 - 访Q存储器（DRAM）由于其高存储容量和相对较低的成本而通常用于计算机中，而静态随机存储器（SRAM）更快但更昂贵，并且经常用于缓存记忆中以加快数据访Q的速度。

逻辑IC：逻辑IC用于执行各种逻辑操作。如前所述，它们可以是简单的逻辑门，也可以是更复杂的组合和顺序逻辑电路。组合逻辑电路，例如多路复用器（选择要路由到输出的几个输入信号之一）和解码器（将二进制代码转换为一组输出信号），其输出仅取决于当前输入值。顺序逻辑电路（例如flip -flops和counters）的输出不仅取决于当前输入，而且还取决于电路的先前状态。这些电路对于数字系统中的数据存储，检索和处理等任务至关重要。

应用 - 特定的集成电路（ASIC）：ASIC是定制的 - 为特定应用程序设计的集成电路。例如，在数码相机中，可能会有专门设计用于参考图片处理的ASIC。该芯片被优化为执行任务，例如参考图片传感器控制，颜色校正和压缩。与使用一般目的IC相比，ASIC提供了较小尺寸，较小的功耗和更高的性能。

字段 - 可编程门阵列（FPGA）：FPGA是可编程逻辑设备，可让用户在制造芯片后配置芯片的逻辑功能。它们包含大量可编程逻辑块和互连。 FPGA用于需要灵活性的应用，例如原型对新数字设计进行原型。例如，在开发新的通信协议时，可以对FPGA进行编程以实现协议的逻辑，并随着设计的发展而轻松重新配置。它们还用于某些高性能计算应用程序中，在这些应用程序中，实际自定义硬件的能力可以为特定算法提供显着的速度。

数字综合电路的意义

数字集成电路已经彻底改变了电子领域。它们的尺寸小，低功耗，高可靠性以及高速进行复杂操作的能力使它们在现代技术中必不可少。它们已经使电子设备的小型化，从我们的手腕上的微小可穿戴健身追踪器到运行互联网的强大服务器。数字综合电路的发展也是电信，医疗保健（例如，医学成像设备和患者监测系统），汽车（用于发动机控制和驾驶员驾驶系统的功能）和航空（用于航空和卫星通信）等行业（例如，在医学成像设备和患者监测系统中）的发展。简而言之，数字综合电路是数字时代的基石，使我们能够依靠技术驱动的生活方式。