張麗霞 張慶元 曹石
摘 要:本文從數(shù)字電路的發(fā)展談起,詳細(xì)闡述了數(shù)字電路的含義及特點,并對數(shù)字電路的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析與預(yù)測。
關(guān)鍵詞:數(shù)字電路 發(fā)展趨勢 特點
中圖分類號:TN79+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2014)07(a)-0120-01
隨著社會的不斷發(fā)展,計算機(jī)技術(shù)也在不斷的發(fā)展,在社會中,用到數(shù)字電路來進(jìn)行信號上的處理,這些優(yōu)勢也顯得更加的突出。我們可以利用數(shù)字電路在信號處理上可以很好的發(fā)揮出自身的強(qiáng)大功能,首先,就需要將模擬的信號按照比例將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;其次,就是在將其送到數(shù)字電路上進(jìn)行相應(yīng)的處理;最后,就是將處理的結(jié)果根據(jù)需要將其轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的模擬信號輸出。自20世紀(jì)70年代開始,在電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中,運(yùn)用這種數(shù)字電路進(jìn)行處理模擬信號,也就是所謂的“數(shù)字化”已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。
1 數(shù)字電路的發(fā)展
數(shù)字電路也稱數(shù)字系統(tǒng),是用數(shù)字信號完成對數(shù)字量進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的電路。由于它具有邏輯運(yùn)算和邏輯處理功能,所以又稱數(shù)字邏輯電路?,F(xiàn)代的數(shù)字電路是由半導(dǎo)體工藝制成的若干數(shù)字集成器件構(gòu)造而成的,邏輯門是數(shù)字邏輯電路的基本單元。從整體上看,數(shù)字電路可以分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類。
數(shù)字電路的發(fā)展與模擬電路一樣經(jīng)歷了由電子管、半導(dǎo)體分立器件到集成電路等幾個時代。但其發(fā)展比模擬電路發(fā)展的更快。從20世紀(jì)60年代開始,數(shù)字集成器件以雙極型工藝制成了小規(guī)模邏輯器件,隨后發(fā)展到中規(guī)模邏輯器件;20世紀(jì)70年代末,微處理器的出現(xiàn),使數(shù)字集成電路的性能產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。
數(shù)字集成器件所用的材料以硅材料為主,在高速電路中,也使用化合物半導(dǎo)體材料,例如砷化鎵等。
邏輯門是數(shù)字電路中一種重要的邏輯單元電路。TTL邏輯門電路問世較早,其工藝經(jīng)過不斷改進(jìn),至今仍為主要的基本邏輯器件之一。隨著CMOS工藝的發(fā)展,TTL的主導(dǎo)地位受到了動搖,有被CMOS器件所取代的趨勢。
近幾年來,可編程邏輯器件PLD特別是現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的飛速進(jìn)步,使數(shù)字電子技術(shù)開創(chuàng)了新局面,不僅規(guī)模大,而且將硬件與軟件相結(jié)合,使器件的功能更完善,使用更靈活。
2 數(shù)字電路的主要特點
2.1 同時具有算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算功能
數(shù)字電路中的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)主要是以二進(jìn)制邏輯代數(shù)為主,主要運(yùn)用了二進(jìn)制的數(shù)字信號,不僅可以很方便的進(jìn)行與、或、非、判斷、比較、處理等邏輯運(yùn)算,還可以進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算,因此,二進(jìn)制邏輯代數(shù)可以應(yīng)用到運(yùn)算、傳輸、控制、決策、儲存以及比較當(dāng)中。
2.2 實現(xiàn)簡單,系統(tǒng)可靠
數(shù)字邏輯電路只要以二進(jìn)制作為基礎(chǔ),其自身的可靠性比較強(qiáng)。其中對該電路上,電源電壓較小使,對其不產(chǎn)生影響,而溫度與工藝偏差對該電路的工作可靠性的影響上,也比模擬電路要小的很多。
2.3 集成度高,功能實現(xiàn)容易
數(shù)字電路具有功耗低、體積小以及集成度高的特點,其中還包含了:電路設(shè)計、維修、維護(hù)上比較靈活方面,隨著社會的不斷發(fā)展,集成電路的相關(guān)技術(shù)也在斷的發(fā)展,其中數(shù)字邏輯電路的集成度也相對的變高,同時隨著SSI(小規(guī)模)、MSI(中規(guī)模)、LSI(大規(guī)模)、以及VLSI(超大規(guī)模)等方面的集成電路的發(fā)展,集成電路塊的功能也從元件、部件、器件、板卡級而上升到了系統(tǒng)級。而電路的設(shè)計則是采用了一些比較標(biāo)準(zhǔn)的集成電路塊單元來連接形成。對于一些非標(biāo)準(zhǔn)的電路還可以選擇可編程序邏輯來陳列電騾,通過運(yùn)用編程的方法來實現(xiàn)對特殊電路任意的邏輯功能。
3 新技術(shù)條件下數(shù)字電路的發(fā)展趨勢
在新技術(shù)條件下,半導(dǎo)體技術(shù)與工藝、平板刷技術(shù)等的發(fā)展為數(shù)字電路的發(fā)展提供了技術(shù)保證。數(shù)字電路逐漸向著高度復(fù)雜化、集成化及智能化發(fā)展,其運(yùn)算速度也越來越高。能夠集成數(shù)億的微處理器,閃盤的容量可達(dá)64GB,部分ASIC所擁有的門電路數(shù)量也可達(dá)1000萬以上,而FPGA的門電路數(shù)量也達(dá)到了300萬以上。將來無論是臺式電腦還是移動終端的CPU時鐘頻率將會更高,而CPU體積的縮小使得一塊芯片上可以放置更多的CPU,高速緩存至少能達(dá)到三級。這樣就使得CPU對外部存儲器的讀寫數(shù)量不斷減少,提高了CPU的數(shù)據(jù)吞吐量,對處理器性能的提升十分有利。如今,六十四位的處理器已日臻成熟,很多公司正試圖把幾個甚至幾十個嵌入式處理器的內(nèi)核提高到一個新的水平。DSP芯片正在向更高的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,在多數(shù)場合指令字方式是非常常見的方式—— 在同一芯片上有多過個處理器單元存在,即單指令陣列處理。在現(xiàn)階段,處理器的結(jié)算能力在持續(xù)提升,由于眾多新型的存儲結(jié)構(gòu)單元相繼出現(xiàn),對于快閃存儲器的單元來講,密度也有很大的提高。不論是多級的存儲單元還是鏡像為存儲單元,這兩個方式都是這項技術(shù)的最前沿技術(shù),在多級存儲中,有很多方法在使用。各比特在編碼的過程中使用的是四個電荷級,能夠隨時對任何一個存儲單元進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取,并且鏡像位的方案都是把每一個比特存在一個絕緣柵上。
雖然DRAM存儲器的密度不會一下子跳到GB級別,但是,可以對下一代的DRAM 運(yùn)算速度進(jìn)行預(yù)設(shè),其運(yùn)算的速度也會越來越快。此種存儲器會使用下一代的DDR接口。與此同時,人們會不斷地開發(fā)出存取速度更快的接口,為更高帶寬的引進(jìn)打下堅實的物理基礎(chǔ)。
非動態(tài)的隨機(jī)存儲器(SRAM)在密度方面也在進(jìn)行不斷的升級?,F(xiàn)如今,6MB 的芯片已經(jīng)投入市場,相信用不了多長時間,16MB的芯片乃至32MB的芯片甚至更大容量的芯片都可能會投入市場。對SRAM來講接口運(yùn)行速度的加快是至關(guān)重要的。
目前,通過降低絕緣材料的介電常數(shù)來提升電路性能也是重要的手段。
綜上所述,在存儲器領(lǐng)域。新型非易失性技術(shù)為電路設(shè)計人員提供了較多新的選擇。鐵電存儲器技術(shù)也在快速發(fā)展,這提供了一種可能—— 把易失性的存儲器從理想走向現(xiàn)實,可以在無電源的情況下對數(shù)據(jù)進(jìn)行無限期保存,而且不會出現(xiàn)任何形式的數(shù)據(jù)損耗,運(yùn)算器能夠在極小的空間進(jìn)行幾乎無盡的復(fù)雜運(yùn)算。
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