Что такое цифровая интегрированная схема?

В быстром мире современной электроники,Цифровые интегрированные цепи (ICS)Являются ли незамеченные герои, которые питают все от наших смартфонов и ноутбуков до сложных суперкомпьютеров и систем промышленного управления. Но что именно является цифровой интегрированной схемой?

Цифровая интегрированная схема, также известная как логическая интегрированная схема, представляет собой электронную схему, которая предназначена для обработки и манипулирования цифровыми сигналами. Он основан на принципах цифровой логики, которые используют двоичные числа (0s и 1s) для представления информации. Эти схемы изготовлены на одном полупроводниковом субстрате, обычно изготовленном из кремния, и содержат большое количество взаимосвязанных электронных компонентов, таких как транзисторы, резисторы, конденсаторы и диоды.

Логическая функция цифровых интегрированных цепей

Цифровые логические цепиМожно разделить на две категории: комбинационные логические цепи и последовательные логические цепи. В комбинационной логической схеме выход в любой момент зависит исключительно от ввода в тот момент, а не от предыдущего рабочего состояния схемы. Наиболее часто используемые комбинационные логические схемы включают кодеры, декодеры, селекторы данных, демольтиплекторы, числовые компараторы, полные средства и контролировщики паритета.

Рисунок 1. Комбинационная логическая схема

В последовательной логической схеме выход в любой момент зависит не только от входа в этот момент, но и от исходного состояния схемы. Следовательно, последовательные логические цепи должны иметь функцию памяти и должны включать цепи блока хранения. Регистры, регистры смены и счетчики являются наиболее часто используемыми последовательными логическими цепи.

Рисунок 2. Схема последовательной логики

Для различных применений этих двух типов логических цепей существуют стандартизированные и сериализованные интегрированные цепные продукты, обычно называемые интегрированными цепи общего назначения. Соответственно, те интегрированные схемы, разработанные и изготовленные для конкретных целей, называются интегрированными цепями, специфичными для приложения (ASIC).

Внутренний дизайн цифровых интегрированных цепей

Цифровая схемасостоит из комбинационной логики и регистров (шлепанцы). Комбинационная логика, функция, состоящая из основных цепей затвора, имеет выходы, которые зависят исключительно от текущих входов. Первая диаграмма на рисунке 3 иллюстрирует комбинационную логику, которая выполняет только логические операции. Напротив, последовательная схема содержит не только основные цепи затвора, но и элементы хранения, используемые для сохранения прошлой информации. Устойчивый выход последовательной схемы связан как с текущим входом, так и с состоянием, сформированным предыдущими входами. При выполнении логических операций результаты обработки могут быть временно храниться для использования в следующей операции, как показано на второй диаграмме.
Функционально, интерьер цифровой интегрированной схемы можно разделить на две части: путь данных и логика управления. Обе части интегрируют большое количество последовательных логических цепей, большинство из которых представляют собой синхронные последовательные цепи. Последовательная схема делится на несколько узлов на несколько регистров, и эти регистры работают при одном и том же ритме под управлением часов, что упрощает процесс проектирования.

Рисунок 3. Внутренняя структура цифровых интегрированных цепей

В течение долгосрочных методов проектирования были разработаны много стандартных единиц общего назначения. К ним относятся селекторы (также известные как мультиплексоры, которые могут выбрать один вывод из нескольких входных данных), компараторов (используемые для сравнения величин двух чисел), добавок, множителей, регистров смены и так далее. Эти единичные цепи имеют регулярные формы и легко интегрируются, поэтому цифровые цепи достигли лучшего развития в интегрированных цепях.
Эти единицы подключены в соответствии с требованиями проектирования, чтобы сформировать путь данных. Данные, которые должны быть обработаны, передаются с входного конца к выходному концу через этот путь, и получен конечный результат обработки. В то же время специально разработанная логика управления и каждый компонент, который управляет пути данных, должны работать в соответствии с их соответствующими функциональными требованиями и конкретными отношениями времени.

Модели цифровых интегрированных чипов

Модельцифровой интегрированный чипОбычно состоит из трех частей: префикс, серийный номер и суффикс, каждый из которых несет конкретную информацию:

Префикс: В основном он представляет производителя или серию, к которой принадлежит чип. Например, серия «74» является распространенным префиксом для цифровых чипов TTL, производимой несколькими производителями; Серия «CD40» является типичным префиксом для чипов CMOS, в котором преобладают такие производители, как Texas Instruments (TI).

Серийный номер: Он используется для различения конкретной функциональной модели чипа. Например, «00» в 74LS00 указывает на то, что чип представляет собой ворота NAND в четырех входах, в то время как «595» в 74HC595 представляет 8-битный реестр смены.

Суффикс: Обычно он отмечает параметры, такие как форма упаковки чипа и диапазон температуры. Например, «Dip» обозначает двойной встроенный пакет, «SMD» для пакета устройств поверхности; «-40 ℃ ~ 85 ℃» указывает диапазон рабочей температуры чипа.

Этот метод именования модели предоставляет дизайнерам удобную основу идентификации, что позволяет им быстро судить о функции чипа, применимых сценариях и физических характеристиках.

Типы цифровых интегрированных чипов

На основе сценарии схемы, функции и применения,цифровые интегрированные чипыможно разделить на следующие основные типы:

1. классифицируется по структуре схемы

TTL (транзисторная логика) чипсы: Они сосредоточены на биполярных транзисторах и полагаются как на электроны, так и на отверстия для проводимости. Они имеют быстрые скорости переключения и сильные возможности вождения, но имеют относительно высокое энергопотребление. Общие серии 74 (такие как декодер 74LS138) принадлежат к чипам TTL и широко использовались в ранних цифровых системах.

CMOS (комплементарные металлуоксидные чипсы) чипсы: Они состоят из дополнительной структуры транзисторов PMO и NMOS, проводя электроэнергию только с одним типом носителя. У них есть такие преимущества, как низкое энергопотребление, высокий входной импеданс и широкий диапазон напряжений питания, что делает их основным типом цифровых чипов в настоящее время. Примеры включают серию CD4000 и серию 74HC (например, инвертор 74HC04), которые широко используются в портативных устройствах и системах с низким энергопотреблением.

2. классифицируется по функции

Логические чипсы затвора: Они реализуют основные логические операции и являются основой сложных цепей. Они включают в себя и ворота (такие как 74LS08), или ворота (такие как 74LS32), а не ворота (такие как 74LS04), и составные логические ворота (такие как NAND Gate 74LS00 и NOR GATE 74LS02).

Последовательные логические чипы: Они содержат единицы хранения, а их выходы зависят как от входов, так и от исторических состояний, используемых для реализации таких функций, как подсчет и хранение. Примеры включают 4-битный счетчик 74LS161, 8-битный регистр 74LS373 и Shift Register 74LS164.

Чипы обработки данных: Они используются для конкретных операций, таких как выбор данных, кодирование и декодирование. Например, селектор данных 8-1 74LS151, линейный декодер от 3 до 8 74LS138 и декодер дисплея BCD-Seven-сегмент 74LS48.

3. Сценарий приложения

Общее назначение интегрированных цепей: Предназначенные для стандартизированных функций, они подходят для нескольких сценариев и имеют универсальность и взаимозаменяемость. Вышеупомянутые логические ворота, счетчики, регистры и т. Д. - все это попадает в эту категорию. Например, чипы серии 74 и серии CD4000 могут гибко использовать в различных цифровых системах.

Интегрированные цепи, специфичные для приложения (ASIC): Пользовательский разработан для конкретных сценариев, таких как чипы обработки сигналов изображения в смартфонах ибортовые управляющие фишкив автомобильной электронике. Asics может оптимизировать производительность и снизить энергопотребление в максимальной степени, но иметь высокие затраты на проектирование и длительные циклы, что делает их подходящими для выделенных массовых устройств.

Программируемые логические устройства (PLDS): Включая FPGAS (полевые массивы затвора) и CPLDS (сложные программируемые логические устройства), они позволяют пользователям настраивать логические функции с помощью программирования. Например, Spartan Spartan Series FPGAS Xilinx можно использовать в разработке прототипа или сценариях настройки мелкой партии, балансировании гибкости и производительности.

Эти различные типы цифровых интегрированных чипов в совокупности поддерживают строительство всего, от простого логического управления до сложных цифровых систем, удовлетворяющих различные потребности в электронном проектировании.

Цифровая интегрированная классификация схемы на основе шкалы интеграции

Маленькая - масштабная интеграция (SSI): Схемы SSI обычно содержат до 10 ворот или несколько десятков компонентов. Эти схемы часто используются для основных логических функций в простых цифровых системах. Например, чип 7400, который содержит четыре два - входные ворота Nand, является обычным устройством SSI. Его можно использовать в таких приложениях, как простые логические цепи управления, где требуются основные логические операции.

Средняя - масштабная интеграция (MSI): Схемы MSI имеют от 10 до 100 ворот или несколько сотен компонентов. Они используются для более сложных функций. Чип 74161, который является 4 -битовым синхронным счетчиком, является примером устройства MSI. Счетчики широко используются в цифровых системах для таких задач, как подсчет событий, создание сигналов времени и контроль последовательности операций.

Крупная масштабная интеграция (LSI): Схемы LSI содержат от 100 до 10000 ворот или тысячи компонентов. Чипы памяти, такие как ранние статические случайные воспоминания (SRAM) и простые микропроцессоры являются примерами устройств LSI. 8 -битный микропроцессор может быть реализован с использованием технологии LSI. Он может выполнять набор инструкций, выполнять арифметические и логические операции и управлять потоком данных в цифровой системе.

Очень - масштабная интеграция (VLSI): VLSI Circuits имеет более 10 000 ворот или сотни тысяч людей до миллионов компонентов. Современные микропроцессоры, такие как те, которые обнаружены на персональных компьютерах, и крупные - динамические случайные воспоминания (DRAM), являются классическими примерами устройств VLSI. ЦП высокого уровня настольного настольного компьютера может содержать миллиарды транзисторов, которые организованы в сложные логические схемы для выполнения чрезвычайно быстрых и сложных вычислительных задач.

Ultra - крупная масштабная интеграция (ULSI) и интеграция Giga - масштаб (GSI): ULSI относится к цепям с еще более высоким уровнем интеграции, часто в десятках миллионов компонентов. GSI, которая является еще более продвинутой стадией, включает в себя интеграцию более миллиардов компонентов в одном чипе. Состояние - OF - Art Mobile Phone Processors и некоторые подразделения по обработке графики с высокой производительностью (GPU) попадают в эту категорию. Эти чипы способны обрабатывать огромные объемы данных и выполнять сложные операции на высоких скоростях, что позволяет таким функциям, как обработка видео с высоким определением, реальная - временная 3D -визуализация и передовые алгоритмы искусственного интеллекта.

Как работают цифровые интегрированные цепи?

Цифровые интегрированные цепиработать на основе бинарной системы. Транзисторы в схеме действуют как переключатели. Когда транзистор включен, он представляет собой логику 1 (обычно высокий уровень напряжения), и когда он выключен, он представляет логику 0 (обычно низкий уровень напряжения). Поток электрического тока через эти транзисторы контролируется входными сигналами, приложенными к схеме.
В более сложных цифровых интегрированных цепях, таких как микропроцессоры, большое количество этих основных логических элементов объединяется и организовано в иерархическом порядке. Микропроцессор получает инструкции из памяти, декодирует их, чтобы понять, какую операцию необходимо выполнить, а затем выполняет эти инструкции, используя арифметические и логические единицы (ALU) и другие функциональные блоки в чипе. Данные хранятся и манипулируются в регистрах, которые по существу являются небольшими, быстрыми элементами памяти в микропроцессоре.

Использование и применение цифровых интегрированных цепей

Микропроцессоры: Микропроцессоры - это мозг компьютерной системы. Они выполняют набор инструкций, хранящихся в памяти для выполнения таких задач, как арифметические операции, манипулирование данными и контроль других компонентов в системе. Например, процессоры серии Intel Core, используемые в компьютерах настольных и ноутбуков, могут выполнять миллиарды инструкций в секунду. Они предназначены для того, чтобы быть очень универсальными и могут быть запрограммированы на использование широкого спектра приложений, от обработки текстов и просмотра веб -страховки до сложных научных симуляций и игр.

Память ICS:Интегрированные схемы памятииспользуются для хранения данных и программ. Существует два основных типа: Читать - только память (ПЗУ) и случайная - доступ к памяти (ОЗУ). ПЗУ сохраняет данные навсегда и используется для удержания базовой системы ввода/вывода (BIOS) в компьютере, который содержит инструкции запуска. ОЗУ, с другой стороны, представляет собой нестабильную память, которая используется для временного хранения данных, над которыми в настоящее время работает компьютер. Динамическая случайная память (DRAM) обычно используется в компьютерах из -за его высокой емкости и относительно низкой стоимости, в то время как статическая случайная - доступная память (SRAM) более быстрая, но более дорогостоящая и часто используется в кэш -воспоминаниях для ускорения доступа к данным.

Логика ICS: Логические IC используются для выполнения различных логических операций. Они могут быть простыми логическими воротами, как упоминалось ранее, или более сложными комбинационными и последовательными логическими цепями. Комбинационные логические схемы, такие как мультиплексоры (которые выбирают один из нескольких входных сигналов, которые должны быть направлены на вывод) и декодеры (которые преобразуют двоичный код в набор выходных сигналов), имеют выходы, которые зависят только от текущих входных значений. Последовательные логические цепи, такие как Flip - Flops и Counters, имеют выходы, которые зависят не только от текущих входов, но и от предыдущего состояния схемы. Эти схемы имеют решающее значение для таких задач, как хранение данных, поиск и обработка в цифровых системах.

Приложение - конкретные интегрированные цепи (ASIC): ASICS - это пользовательские - разработанные интегрированные цепи для конкретного приложения. Например, в цифровой камере может быть ASIC, разработанная специально для обработки изображений. Этот чип оптимизирован для выполнения таких задач, как управление датчиком изображения, коррекция цвета и сжатие. ASIC предлагают такие преимущества, как меньший размер, более низкое энергопотребление и более высокая производительность для конкретного приложения, для которого они предназначены, по сравнению с использованием общих целей ICS.

Поле - программируемые массивы затворов (FPGAS): FPGA являются программируемыми логическими устройствами, которые позволяют пользователям настраивать логические функции чипа после его изготовления. Они содержат большое количество программируемых логических блоков и взаимодействия. FPGA используются в приложениях, где требуется гибкость, например, прототипирование новых цифровых конструкций. Например, при разработке нового протокола связи FPGA может быть запрограммирован на реализацию логики протокола и легко реконфигурировать по мере развития дизайна. Они также используются в некоторых приложениях с высокой производительности вычислений, где возможность настраивать аппаратное обеспечение в реальном времени может обеспечить значительную скорость - для конкретных алгоритмов.

Значение цифровых интегрированных цепей

Цифровые интегрированные цепипроизвели революцию в области электроники. Их небольшой размер, низкое энергопотребление, высокая надежность и способность выполнять сложные операции на высоких скоростях сделали их незаменимыми в современных технологиях. Они позволили миниатюризации электронных устройств, от крошечных носимых фитнес -трекеров на наших запястьях до мощных серверов, которые управляют интернетом. Разработка цифровых интегрированных цепей также стала ключевым фактором развития таких отраслей, как телекоммуникации, здравоохранение (например, в медицинских устройствах визуализации и системы мониторинга пациентов), автомобильная связь (для таких функций, как управление двигателями и системы помощи водителю) и аэрокосмическая (для авионики и спутниковой связи). Короче говоря, цифровые интегрированные цепи являются краеугольным камнем цифровой эпохи, что позволяет технологию - управляемый образ жизни, на который мы полагались.

Горячие продукты SIC

71421LA55J8             UPD441651844BF5-E40-EQ3-A      SST39VF800A-70-4C-B3KE           IS66WV1M16DBLL-555BLI-TR       AS4C32M16SB-7BIN      W25Q16FWSNIG

AS7C34098A-20JIN        752369-581-c                 W957D6HBCX7I TR            IS61LPS12836EC-200B3LI           MX25L12875FMI-10G            QG82915PL

Информация о продукте отSIC Electronics LimitedПолем Если вы заинтересованы в продукте или нужны параметры продукта, вы можете связаться с нами онлайн в любое время или отправить нам электронное письмо: sales@sic-chip.com.