数电基础-数字电路芯片种类

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我是靠谱客的博主直率小蚂蚁，最近开发中收集的这篇文章主要介绍数电基础-数字电路芯片种类，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

数字电路芯片主要用于计算机和逻辑控制领域，它的工作原理是通过晶体管控制电流的“开”和“关”，来表达数据或信息的“1”和“0”，或者表达逻辑判断的“是”与“非”，所以数字电路也称为开关电路或者逻辑电路。数字电路主要是由工作在开关状态的晶体管组成的。因此，数字电路的规模大小由其中的晶体管多少来分类。数字电路芯片主要包括以下7类。

1.逻辑电路(包括与门、或门、非门、锁存器、移位器、计数器、编码器、译码器、选择器、比较器、运算器等)：逻辑电路芯片国际通用系列有74系列、40系列、54系列、厂家兼容系列、非系列专用电路等。以74系列为例，它的功能型号超过97种，每种型号再加上输入输出数、电源、功耗、速度等不同，又可衍生出4倍以上的品种，总共多达400多个品种。这么多系列加起来，仅仅逻辑电路芯片就已经非常繁杂了。

但是，逻辑电路品种再多，基本上是由与门、或门和非门电路组合而成的，因此，上述系列的电路也称为组合逻辑电路。与门电路用于“几个输入条件同时存在才有结果，否则就无结果”的判断；或门电路用于“几个输入条件只要有一个存在就有结果，都不存在就无结果”的判断；非门电路用于“输入条件存在就无结果，输入条件不存在就有结果”的判断。这些判断和处理组合起来，就可以处理非常复杂的控制和运算问题。

理论上，数量庞大的逻辑电路芯片可以实现目前所有复杂芯片的功能，例如中央处理器(CPU)、微控制器(mcu)、片上系统(SoC)等，更甚者可以实现一个复杂系统的功能，例如电脑、交换机等。只是印刷电路板(PCB)上将要安装成千上万，甚至更多的芯片。早期的电子产品都是这么干的，但今天不需要这么干了。因为今天芯片的集成度很高，许多自成系统的逻辑电路可以集成在芯片内部，一个芯片可以实现很复杂的功能，例如CPU，也可以实现一个完整的系统，例如SoC。所以，今天没有人愿意用大量小芯片实现大系统，因为那样做出来的系统体积很大、可靠性很差、成本也很高。

今天的逻辑电路芯片用量已经不大了。就像盖房子可以全部用砖瓦，也可以用一些大型构件，辅助以少量砖瓦，砖瓦用量自然就少了。今天的逻辑电路芯片仅用在小电子产品中，或者用在大系统的通用大芯片之间的连接电路中。

2.通用处理器(CPU、GPU、DSP、APU等)：通用处理器是由海量逻辑电路组成的，它包含了控制、存储、运算、输入输出等部分，形成了一个完整的数据和信息处理系统。它是规模最大、结构最复杂的一类数字电路芯片。(按照通用处理器芯片上可以集成100多亿只晶体管计算，通用处理器大致包含了30多亿个与门、或门、非门电路)。因此，通用处理器被归类为巨大规模集成电路。

通用处理器芯片的特点是按照摩尔定律不断迭代，不断推陈出新，形成了若干个产品系列。例如Intel和AMD的X86系列、IBM的PowerPC系列、MIPS的嵌入式CPU系列和ARM RISC系列等数十个系列。每个系列已生产了20～30多个芯片型号，每个型号的市场平均寿命在2年左右。

通用处理器被称为电子产品和信息系统的大脑和中枢。中央处理器(CPU)用于管理、调度和控制电子产品和信息系统各组成部分协调高效工作；图像处理器(GPU)接受CPU管理，但可以独立管理、调度和控制有关图像显示、图形处理的事务；数字信号处理器(DSP)也接受CPU管理，但可以独立完成大量、成批和规整的数据和信息的快速运算和处理；随着人工智能技术快速发展，传统的CPU结构不能适应人工智能系统对信息存储、运算和推理的要求，新型处理器结构创新产品应运而生，百花齐放。这就是人工智能处理器(APU)，代表产品如 IBM公司的 TrueNorth、高通公司的Zeroth、谷歌公司的TPU、微软公司的Brainwave、寒武纪公司的Cambricon-1A、燧原科技的邃思DTU等。

3.存储器(SRAM、DRAM、PROM、Flash等)：存储器是用于存储数据和信息的芯片。其中，可细分为静态存储器(SRAM)、动态存储器(DRAM、LPDDRX)、可编程只读存储器(PROM)、闪速存储器(Flash)和嵌入式存储器(Embedded Memory)等。

SRAM用于电子产品中存储数据，在通电过程保持数据不变，断电后数据丢失；DRAM在通电过程中通过定时刷新保持数据不变，断电后数据丢失；Flash在通电过程中保持数据不变，断电也不丢失；PROM一旦用特殊手段写入数据后，不论通电与否都不会丢失。前两种称为易失性存储器，后两种称为非易失性存储器。以上这几种存储器可以封装成独立的存储器芯片，也可以设计在CPU、MCU、SoC之中,也被称为嵌入式存储器。

根据用途不同，要选择使用不同的存储器，例如，台式电脑断电后数据一般保存在硬盘上，所以大量采用DRAM(DDR、LPDDRX等)，而手机为了永久保持数据(如通信录、照片、音视频等)，就要大量使用Flash芯片。

4.单片系统(SoC)：单片系统就是把一个电子系统全部集成到一颗芯片中。只要给SoC芯片加上电源和少量外部电路，就可以实现一个完整的电子产品或系统的功能。例如音视频播放器(MP4)、汽车导航仪、手机等都可以用一个SoC芯片加少量外部元器件来实现。SoC芯片内部一般由CPU核、嵌入式存储器、I/O接口(按键、触控、USB、WiFi……)等部分组成。SoC芯片是面向具体应用领域而设计的专用系统级芯片，例如用在医疗设备、汽车电子、抄表系统、智能手机、智慧电视等领域，都有适合该领域应用的SoC芯片。SoC芯片不像CPU芯片那样可以跨领域通用，只能在本应用领域内使用。

5.微控制器(MCU)：微控制器通常也称为单板机或单片机，它是简化版的通用处理器(CPU)。简化体现在几个方面，包括处理字宽、处理器和指令架构、内存大小、时钟速度等。MCU一般用在较简单的、小型的电子产品或系统中，实现简单的控制和数据处理任务，但在大型系统中，也可以用许多MCU完成复杂的控制任务。MCU芯片的应用面十分广泛，从小到阳台定时浇花器、电饭锅、电冰箱等的控制，中到仪器、仪表、工业自动化生产线等的控制，再到大型应用例如高铁、飞机等的系统控制等。

以MCU或SOC芯片为核心搭建的电子系统也称为嵌入式系统，MCU和SOC也被称为嵌入式微处理器。

MCU的种类特别多，主要产品多达70 多个系列，500多个品种。例如MCS-51系列、PIC系列、STM32系列、MSP430系列、TMS系列、AVR系列、STC系列等。仅MCS-51系列，按一个机器周期有几个时钟周期T划分为几个规格，12T的芯片有8051、8031、AT89C51、8032等；6T的芯片有STC89系列等；4T的芯片有80C320、W77E58等；1T的芯片有STC系列等。同时又有不同的厂家和品牌，芯片型号非常多。

6.定制电路(ASIC) ：如果用户不想使用通用芯片，而是按自己的应用要求定制一款芯片，这种芯片就称为全定制芯片。二代身份证芯片就是典型的ASIC例子。有些整机厂商为自己的产品定制ASIC，避免采用通用芯片，一是为了保护产品的技术细节和诀窍，二是ASIC会更加适合自己产品的需要，三是只要产品能上量，就可以摊薄ASIC高昂的定制费用。

7.可编程逻辑器件(PLD) (包括PLD、PAL、GAL、FPGA等)：前面第1～6类芯片被称固定逻辑电路芯片，它们从代工厂生产出来后，功能就被固定下来，不能再进行任何大的改变。如果需要完善和升级，就要先修改设计，再交由代工厂重新生产。修改和重新生产的成本是很高的，只有需求量很大的芯片才按照固定逻辑电路的模式进行开发。需求数量少、有更新和升级可能的芯片，需要按照可编程逻辑器件的模式进行开发。

可编程逻辑器件(PLD)由工厂生产出来后，其功能还没有确定，需要设计人员按需求进行编程后，芯片才能表现出想要的功能。而且某些种类的PLD芯片还可以进行多次编程，十分适合要对芯片的功能进行完善和升级的应用场合，例如通信设备、移动通信基站等。

可编程逻辑器件在编程之前属于通用芯片，厂家可以批量生产，满足不同领域的应用需求。而在编程之后就变成了专用芯片，只满足某个具体领域的特殊应用。因此，PLD芯片也称为半定制芯片。

目前应用最广的是现场可编程门阵列(FPGA)，它特别适合用在用量不大，或者用量较大，但需要不断完善和升级的应用场合。它在通信、安防监控、自动控制、人工智能、军工与航天等领域，以及芯片设计的原型验证、算法与嵌入式系统开发等方面都有着广泛应用。

有人喜欢把ASIC和PLD进行对比，因为ASIC和编程后的PLD都是专用定制芯片。但它们有以下区别，一是前者是交由设计者和制造厂去定制，后者是自己编程定制；二是前者生产处理后，芯片功能不能改动，后者经编程后，芯片功能还可以完善和升级。三是前者生产定制代价很高，需要产品上量才行，后者定制成本很低，适合在小批量产品上使用。

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