數(shù)字集成電路概述

數(shù)字集成電路是將元器件和連線集成于同一半導(dǎo)體芯片上而制成的數(shù)字邏輯電路或系統(tǒng)。根據(jù)數(shù)字集成電路中包含的門電路或元、器件數(shù)量，可將數(shù)字集成電路分為小規(guī)模集成(SSI)電路、中規(guī)模集成MSI電路、大規(guī)模集成(LSI)電路、超大規(guī)模集成VLSI電路和特大規(guī)模集成(ULSI)電路。

數(shù)字集成電路是基于數(shù)字邏輯(布爾代數(shù))設(shè)計(jì)和運(yùn)行的，用于處理數(shù)字信號(hào)的集成電路。根據(jù)集成電路的定義，也可以將數(shù)字集成電路定義為：將元器件和連線集成于同一半導(dǎo)體芯片上而制成的數(shù)字邏輯電路或系統(tǒng)。根據(jù)數(shù)字集成電路中包含的門電路或元、器件數(shù)量，可將數(shù)字集成電路分為小規(guī)模集成(SSI)電路、中規(guī)模集成MSI電路、大規(guī)模集成(LSI)電路、超大規(guī)模集成VLSI電路、特大規(guī)模集成(ULSI)電路和巨大規(guī)模集成電路(GSI，Giga Scale Integration)。小規(guī)模集成電路包含的門電路在10個(gè)以內(nèi)，或元器件數(shù)不超過(guò)10個(gè);中規(guī)模集成電路包含的門電路在10～100個(gè)之間，或元器件數(shù)在100～1000個(gè)之間;大規(guī)模集成電路包含的門電路在100個(gè)以上，或元器件數(shù)在1，000～10, 000個(gè)之間;超大規(guī)模集成電路包含的門電路在1萬(wàn)個(gè)以上，或元器件數(shù)在100，000～1，000，000之間;特大規(guī)模集成電路的門電路在10萬(wàn)個(gè)以上，或元器件數(shù)在1，000，000～10，000，000之間。隨著微電子工藝的進(jìn)步，集成電路的規(guī)模越來(lái)越大，簡(jiǎn)單地以集成元件數(shù)目來(lái)劃分類型已經(jīng)沒(méi)有多大的意義了，目前暫時(shí)以“巨大規(guī)模集成電路”來(lái)統(tǒng)稱集成規(guī)模超過(guò)1億個(gè)元器件的集成電路。

數(shù)字集成電路的型號(hào)組成一般由前綴、編號(hào)、后綴三大部分組成，前綴代表制造廠商，編號(hào)包括產(chǎn)品系列號(hào)、器件系列號(hào)，后綴一般表示溫度等級(jí)、封裝形式等。如表0—1所示為TTL 74系列數(shù)字集成電路型號(hào)的組成及符號(hào)的意義。

可將數(shù)字邏輯電路分成組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路兩大類。在組合邏輯電路中，任意時(shí)刻的輸出僅取決于當(dāng)時(shí)的輸入，而與電路以前的工作狀態(tài)無(wú)關(guān)。最常用的組合邏輯電路有編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、多路分配器、數(shù)值比較器、全加器、奇偶校驗(yàn)器等。在時(shí)序邏輯電路中，任意時(shí)刻的輸出不僅取決于該時(shí)刻的輸入，還與電路原來(lái)的狀態(tài)有關(guān)。因此，時(shí)序邏輯電路必須有記憶功能，必含有存儲(chǔ)單元電路。最常用的時(shí)序邏輯電路有寄存器、移位寄存器、計(jì)數(shù)器等。具體的組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路不勝枚舉。由于它們的應(yīng)用十分廣泛，所以都有標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的集成電路產(chǎn)品，通常把這些產(chǎn)品叫做通用集成電路。與此相對(duì)應(yīng)地把那些為專門用途而設(shè)計(jì)制作的集成電路叫做專用集成電路(ASIC)。

數(shù)字電路的組成：組合邏輯+寄存器(觸發(fā)器)。組合邏輯就是由基本門組成的函數(shù)，其輸出只會(huì)跟當(dāng)前的輸入有關(guān)，在上面的例子中，第一個(gè)圖就是組合邏輯，只完成邏輯運(yùn)算;而時(shí)序電路除了包含基本門之外，還包含存儲(chǔ)元件用例保存過(guò)去的信息，時(shí)序電路的穩(wěn)態(tài)輸出不僅取決于當(dāng)前的輸入，還與過(guò)去的輸入所形成狀態(tài)有關(guān)。第二個(gè)圖就是時(shí)序電路，在完成邏輯運(yùn)算的同時(shí)，還可以把處理結(jié)果暫存起來(lái)，用以下一次的運(yùn)算。從功能上來(lái)看，數(shù)字集成電路內(nèi)部可以分為數(shù)據(jù)通路(Data-path，也稱為數(shù)據(jù)路徑)和控制邏輯兩大部分。這兩大部分都是由大量的時(shí)序邏輯電路集成的，而且絕大部分都是同步的時(shí)序電路，因?yàn)闀r(shí)序電路被多個(gè)觸發(fā)器或寄存器分成若干節(jié)點(diǎn)，而這些觸發(fā)器在時(shí)鐘的控制下會(huì)按同樣的節(jié)拍來(lái)工作，可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。在長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)過(guò)程中，已經(jīng)積累了很多標(biāo)準(zhǔn)的通用單元，比如選擇器(也叫多路器，可以從多個(gè)輸入數(shù)據(jù)中選一個(gè)輸出)、比較器(用于比較兩個(gè)數(shù)的大小)、加法器、乘法器、移位寄存器等等，這些單元電路形狀規(guī)則，便于集成(這也是數(shù)字電路在集成電路中得到更好的發(fā)展的原因)。這些單元按設(shè)計(jì)要求連接在一起，形成數(shù)據(jù)通路，待處理的數(shù)據(jù)從輸入端經(jīng)過(guò)這條通路到輸出端，便得到處理后的結(jié)果。同時(shí)，還需要由專門設(shè)計(jì)的控制邏輯，控制數(shù)據(jù)通路的各組成部件，按各自的功能要求和特定的時(shí)序關(guān)系和來(lái)配合工作。