디지털 통합 회로 란 무엇입니까?

현대 전자 제품의 빠른 속도로 세계에서디지털 통합 회로 (ICS)스마트 폰과 랩톱에서 복잡한 슈퍼 컴퓨터 및 산업 제어 시스템에 이르기까지 모든 것을 전원하는 것은 아닙니다. 그러나 디지털 통합 회로는 정확히 무엇입니까?

로직 통합 회로라고도하는 디지털 통합 회로는 디지털 신호를 처리하고 조작하도록 설계된 전자 회로입니다. 이진 번호 (0 및 1)를 사용하여 정보를 나타내는 디지털 로직의 원리를 기반으로합니다. 이 회로는 단일 반도체 기판에 제조되며, 일반적으로 실리콘으로 만들어졌으며 트랜지스터, 저항기, 커패시터 및 다이오드와 같은 다수의 상호 연결된 전자 성분을 포함합니다.

디지털 통합 회로의 논리적 기능

디지털 논리 회로조합 로직 회로와 순차적 논리 회로의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 조합 논리 회로에서, 언제라도 출력은 회로의 이전 작업 상태가 아닌 그 순간의 입력에만 의존합니다. 가장 일반적으로 사용되는 조합 로직 회로에는 인코더, 디코더, 데이터 선택기, 디 뮬 플렉서, 수치 비교기, 전체 부가자 및 패리티 체커 등이 포함됩니다.

Combinational Logic Circuit.png

그림 1. 조합 로직 회로

순차적 논리 회로에서, 언제라도 출력은 그 순간의 입력뿐만 아니라 원래 회로 상태에 의존합니다. 따라서 순차적 로직 회로에는 메모리 기능이 있어야하며 저장 장치 회로가 포함되어야합니다. 레지스터, 시프트 레지스터 및 카운터는 가장 일반적으로 사용되는 순차적 논리 회로입니다.

Sequential Logic Circuit.png

그림 2. 순차적 논리 회로

이 두 가지 유형의 논리 회로의 다른 응용에 대해서는 표준화 된 및 직렬화 된 통합 회로 제품이 있으며, 일반적으로 일반 목적 통합 회로라고합니다. 이에 따라 특정 목적으로 설계 및 제조 된 통합 회로를 ASIC (Application-Specific Integrated Circuit)라고합니다.

디지털 통합 회로의 내부 설계

디지털 회로조합 논리 및 레지스터 (플립 플롭)로 구성됩니다. 기본 게이트 회로로 구성된 함수 인 조합 로직에는 현재 입력에만 의존하는 출력이 있습니다. 그림 3의 첫 번째 다이어그램은 논리적 작업 만 수행하는 조합 논리를 보여줍니다. 대조적으로, 순차적 회로에는 기본 게이트 회로뿐만 아니라 과거 정보를 유지하는 데 사용되는 저장 요소도 포함되어 있습니다. 순차적 회로의 정상 상태 출력은 이전 입력 및 이전 입력에 의해 형성된 상태와 관련이 있습니다. 논리적 작업을 수행하는 동안 두 번째 다이어그램에 표시된 것처럼 처리 결과는 다음 작업에 사용하기 위해 일시적으로 저장 될 수 있습니다.
기능적으로, 디지털 통합 회로의 내부는 데이터 경로와 제어 로직의 두 부분으로 나눌 수 있습니다. 두 부분 모두 많은 순차적 논리 회로를 통합하며, 대부분은 동기 순차적 회로입니다. 순차적 회로는 여러 레지스터에 의해 여러 노드로 나뉘며,이 레지스터는 시계 제어 하에서 동일한 리듬으로 작동하여 설계 프로세스를 단순화합니다.

Internal Structure of Digital Integrated Circuits.png

그림 3. 디지털 통합 회로의 내부 구조

장기 설계 관행에 따라 많은 표준 일반 목적 장치가 개발되었습니다. 여기에는 선택기 (여러 입력 데이터에서 하나의 출력을 선택할 수있는 멀티플렉서라고도 함), 비교기 (두 숫자의 크기를 비교하는 데 사용), 추가기, 승수, 시프트 레지스터 등이 포함됩니다. 이 단위 회로는 정기적 인 모양이 있으며 통합이 쉽기 때문에 디지털 회로가 통합 회로에서 더 나은 개발을 달성 한 이유입니다.
이 단위는 설계 요구 사항에 따라 연결되어 데이터 경로를 형성합니다. 처리 할 데이터는 입력 종료 에서이 경로를 통해 출력 끝으로 전송되며 최종 처리 결과가 얻어집니다. 동시에, 특수 설계된 제어 로직 및 데이터 경로를 제어하는 각 구성 요소는 해당 기능 요구 사항 및 특정 타이밍 관계에 따라 작동해야합니다.

디지털 통합 칩 모델

a의 모델디지털 통합 칩일반적으로 접두사, 일련 번호 및 접미사의 세 부분으로 구성됩니다.

접두사: 주로 칩이 속한 제조업체 또는 시리즈를 나타냅니다. 예를 들어, "74"시리즈는 여러 제조업체가 생산하는 TTL 디지털 칩의 일반적인 접두사입니다. "CD40"시리즈는 Texas Instruments (TI)와 같은 제조업체가 지배하는 CMOS 칩의 일반적인 접두사입니다.

일련 번호: 칩의 특정 기능 모델을 구별하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 74LS00의 "00"은 칩이 쿼드 2 입력 NAND 게이트이고 74HC595의 "595"는 8 비트 시프트 레지스터를 나타냅니다.

접미사: 일반적으로 칩의 포장 형태 및 온도 범위와 같은 매개 변수를 표시합니다. 예를 들어, "DIP"는 표면 마운트 장치 패키지의 듀얼 인라인 패키지 "SMD"를 나타냅니다. "-40 ℃ ~ 85 ℃"는 칩의 작동 온도 범위를 나타냅니다.

이 모델 명명 방법은 디자이너에게 편리한 식별 기반을 제공하여 칩의 기능, 해당 시나리오 및 물리적 특성을 신속하게 판단 할 수 있습니다.

디지털 통합 칩의 유형

회로 구조, 기능 및 응용 프로그램 시나리오를 기반으로디지털 통합 칩다음 주요 유형으로 나눌 수 있습니다.

1. 회로 구조로 분류

TTL (트랜지스터 전송 로직) 칩: 그들은 양극성 트랜지스터를 중심으로하며 전자와 구멍 모두에 의존합니다. 그들은 빠른 스위칭 속도와 강력한 주행 기능을 특징으로하지만 상대적으로 높은 전력 소비를 가지고 있습니다. 일반적인 74 시리즈 (예 : 74LS138 디코더)는 TTL 칩에 속하며 초기 디지털 시스템에서 널리 사용되었습니다.

CMOS (보완 금속 산화물-세미 컨덕터) 칩: 그들은 PMOS 및 NMOS 트랜지스터의 보완 구조로 구성되어 하나의 유형의 캐리어만으로 전기를 수행합니다. 그들은 저전력 소비, 높은 입력 임피던스 및 넓은 전원 공급 전압 범위와 같은 장점을 가지고있어 현재 주류 유형의 디지털 칩이 있습니다. 예를 들어 CD4000 시리즈 및 74HC 시리즈 (예 : 74HC04 인버터)가 포함되며 휴대용 장치 및 저전력 시스템에서 널리 사용됩니다.

2. 함수별로 분류

로직 게이트 칩: 기본 논리 작업을 구현하고 복잡한 회로의 기초입니다. 여기에는 게이트 (예 : 74LS32), 게이트 (예 : 74LS04), 복합 논리 게이트 (예 : NAND 게이트 74LS00 및 NOR 게이트 74LS02)를 포함합니다.

순차적 인 논리 칩: 저장 장치가 포함되어 있으며 출력은 계산 및 저장과 같은 기능을 구현하는 데 사용되는 현재 입력 및 역사 상태에 따라 달라집니다. 예로는 4 비트 카운터 74LS161, 8 비트 레지스터 74LS373 및 시프트 레지스터 74LS164가 포함됩니다.

데이터 처리 칩: 데이터 선택, 인코딩 및 디코딩과 같은 특정 작업에 사용됩니다. 예를 들어, 8-1 데이터 선택기 74LS151, 3-8 라인 디코더 74LS138 및 BCD-~ 9 세그먼트 디스플레이 디코더 74LS48.

3. 응용 프로그램 시나리오로 분류

범용 통합 회로: 표준화 된 기능을 위해 설계되었으며 여러 시나리오에 적합하며 다양성과 교환 성이 있습니다. 앞서 언급 한 논리 게이트, 카운터, 레지스터 등은 모두이 범주에 속합니다. 예를 들어, 74 시리즈 및 CD4000 시리즈 칩은 다양한 디지털 시스템에서 유연하게 사용할 수 있습니다.

응용 프로그램 별 통합 회로 (ASICS): 스마트 폰의 이미지 신호 처리 칩과 같은 특정 시나리오에 대해 사용자 정의 디자인 및온보드 제어 칩자동차 전자 제품. ASICS는 성능을 최적화하고 전력 소비를 최대로 줄일 수 있지만 설계 비용이 높고 긴주기가 길어 대량 생산 된 전용 장치에 적합합니다.

프로그래밍 가능한 로직 장치 (PLDS): FPGA (필드 프로그램 가능 게이트 어레이) 및 CPLD (복잡한 프로그래밍 가능한 로직 장치)를 포함하여 사용자는 프로그래밍을 통해 논리적 기능을 사용자 정의 할 수 있습니다. 예를 들어, Xilinx의 Spartan Series FPGA는 프로토 타입 개발 또는 소규모 배치 사용자 정의 시나리오에서 유연성 및 성능의 균형을 잡을 수 있습니다.

이러한 다양한 유형의 디지털 통합 칩은 간단한 논리 제어에서 복잡한 디지털 시스템에 이르기까지 다양한 전자 설계 요구를 충족시키는 모든의 구성을 총체적으로 지원합니다.

통합 척도를 기반으로 한 디지털 통합 회로 분류

소규모 - 스케일 통합 (SSI): SSI 회로는 일반적으로 최대 10 개의 게이트 또는 수십 개의 구성 요소를 포함합니다. 이 회로는 종종 간단한 디지털 시스템의 기본 논리 기능에 사용됩니다. 예를 들어, 4 개의 입력 NAND 게이트를 포함하는 7400 칩은 일반적인 SSI 장치입니다. 기본 논리 작업이 필요한 간단한 논리 제어 회로와 같은 응용 프로그램에서 사용할 수 있습니다.

중간 - 스케일 통합 (MSI): MSI 회로는 10 내지 100 게이트 또는 수백 개의 구성 요소를 갖습니다. 그들은보다 복잡한 기능에 사용됩니다. 4- 비트 동기 카운터 인 74161 칩은 MSI 장치의 예입니다. 카운터는 이벤트 계산, 타이밍 신호 생성 및 일련의 운영 제어와 같은 작업에 디지털 시스템에서 널리 사용됩니다.

대형 - 스케일 통합 (LSI): LSI 회로에는 100 ~ 10,000 개의 게이트 또는 수천 개의 구성 요소가 포함되어 있습니다. 초기 정적 랜덤 - 액세스 메모리 (SRAM) 및 간단한 마이크로 프로세서와 같은 메모리 칩은 LSI 장치의 예입니다. LSI 기술을 사용하여 8 비트 마이크로 프로세서를 구현할 수 있습니다. 지침 세트를 실행하고 산술 및 논리적 작업을 수행하며 디지털 시스템 내에서 데이터 흐름을 제어 할 수 있습니다.

매우 - 대형 - 스케일 통합 (VLSI): VLSI 회로에는 10,000 개가 넘는 게이트 또는 수십만에서 수백만 개의 구성 요소가 있습니다. 개인용 컴퓨터에서 발견되는 것과 같은 현대 마이크로 프로세서 및 대규모 용량 동적 무작위 - 액세스 메모리 (DRAM)는 VLSI 장치의 전형적인 예입니다. 고급 데스크탑 CPU에는 수십억 개의 트랜지스터가 포함되어 있으며,이 트랜지스터는 복잡한 논리 회로로 구성되어 매우 빠르고 정교한 계산 작업을 수행합니다.

Ulsi (Ultra -Large -Scale Integration) 및 Giga -Scale Integration (GSI): ULSI는 종종 수천만 개의 구성 요소에서 훨씬 높은 수준의 통합을 갖는 회로를 말합니다. 더욱 고급 단계 인 GSI는 단일 칩에 10 억 개 이상의 구성 요소를 통합하는 것을 포함합니다. State -OF -THE -ART 휴대 전화 프로세서 및 일부 높은 성능 그래픽 처리 장치 (GPU) 가이 범주에 속합니다. 이 칩은 대량의 데이터를 처리하고 고속으로 복잡한 작업을 수행 할 수 있으며, 높은 정의 비디오 처리, 실제 3D 그래픽 렌더링 및 고급 인공 지능 알고리즘과 같은 기능을 가능하게합니다.

디Igital나ntegrated기음ircuits	N오브 더G회로를 먹었습니다	구성 요소 수
SSI 회로	10	& le;100
MSI 회로	10-100	100-1000
LSI 회로	> 100	1,000-10,000
VLSI 회로	> 10,000	100,000-1,000,000
Ulsi 회로	> 100,000	1,000,000-10,000,000

디지털 통합 회로는 어떻게 작동합니까?

디지털 통합 회로이진 시스템을 기반으로 작동합니다. 회로 내의 트랜지스터는 스위치 역할을합니다. 트랜지스터가 켜지면 로직 1 (일반적으로 고전압 레벨)을 나타내며 꺼지면 논리 0 (보통 저전압 레벨)을 나타냅니다. 이들 트랜지스터를 통한 전류의 흐름은 회로에 적용되는 입력 신호에 의해 제어된다.
마이크로 프로세서와 같은보다 복잡한 디지털 통합 회로에서 이러한 기본 논리 요소 중 다수가 계층 적으로 결합되고 구성됩니다. 마이크로 프로세서는 메모리에서 지침을 가져와 해독하여 수행해야 할 작업을 이해 한 다음 산술 및 로직 유닛 (ALU) 및 칩 내의 기타 기능 블록을 사용하여 해당 지침을 실행합니다. 데이터는 마이크로 프로세서 내에서 본질적으로 작고 빠른 액세스 메모리 요소 인 레지스터에 저장 및 조작됩니다.

디지털 통합 회로의 사용 및 적용

마이크로 프로세서: 마이크로 프로세서는 컴퓨터 시스템의 두뇌입니다. 산술 작업, 데이터 조작 및 시스템의 다른 구성 요소 제어와 같은 작업을 수행하기 위해 메모리에 저장된 지침 세트를 실행합니다. 예를 들어, 데스크탑 및 랩톱 컴퓨터에 사용되는 인텔 코어 시리즈 프로세서는 초당 수십억 개의 지침을 수행 할 수 있습니다. 그들은 다재다능하도록 설계되었으며 워드 프로세싱 및 웹 브라우징에서 복잡한 과학 시뮬레이션 및 게임에 이르기까지 광범위한 응용 프로그램을 처리하도록 프로그래밍 할 수 있습니다.

메모리 IC:메모리 통합 회로데이터 및 프로그램 저장에 사용됩니다. 두 가지 주요 유형이 있습니다 : 읽기 - Memory (ROM) 및 랜덤 액세스 메모리 (RAM). ROM은 데이터를 영구적으로 저장하고 시작 지침이 포함 된 컴퓨터에서 기본 입력/출력 시스템 (BIOS)을 보유하는 데 사용됩니다. 반면 RAM은 컴퓨터가 현재 작업중 인 데이터를 임시로 저장하는 데 사용되는 휘발성 메모리입니다. 동적 랜덤 - 액세스 메모리 (DRAM)는 저장 용량이 높고 상대적으로 저렴한 비용으로 인해 컴퓨터에서 일반적으로 사용되는 반면, 정적 랜덤 액세스 메모리 (SRAM)는 더 빠르지 만 더 비싸며 캐시 메모리에서 데이터 액세스 속도를 높이기 위해 종종 사용됩니다.

논리 IC: 로직 IC는 다양한 논리 작업을 수행하는 데 사용됩니다. 앞에서 언급했듯이 간단한 논리 게이트 또는 더 복잡한 조합 및 순차적 논리 회로가 될 수 있습니다. 멀티플렉서 (출력으로 라우팅 할 여러 입력 신호 중 하나를 선택) 및 디코더 (이진 코드를 출력 신호 세트로 변환)와 같은 조합 로직 회로에는 현재 입력 값에만 의존하는 출력이 있습니다. 플립 플롭 및 카운터와 같은 순차적 논리 회로에는 현재 입력뿐만 아니라 이전 회로 상태에 의존하는 출력이 있습니다. 이러한 회로는 데이터 저장, 검색 및 디지털 시스템 처리와 같은 작업에 중요합니다.

응용 프로그램 - 특정 통합 회로 (ASICS): Asics는 사용자 정의 - 특정 응용 프로그램을위한 설계된 통합 회로입니다. 예를 들어, 디지털 카메라에는 이미지 처리를 위해 특별히 설계된 ASIC이있을 수 있습니다. 이 칩은 이미지 센서 제어, 색 보정 및 압축과 같은 작업을 수행하도록 최적화되었습니다. ASICS는 일반적인 ICS를 사용하는 것과 비교할 때 더 작은 크기, 전력 소비량, 전력 소비량 및 더 높은 성능과 같은 장점을 제공합니다.

필드 - 프로그램 가능한 게이트 어레이 (FPGAS): FPGA는 사용자가 칩이 제조 한 후 칩의 로직 기능을 구성 할 수있는 프로그래밍 가능한 로직 장치입니다. 여기에는 많은 프로그래밍 가능한 논리 블록과 상호 연결이 포함되어 있습니다. FPGA는 새로운 디지털 디자인 프로토 타입과 같은 유연성이 필요한 응용 분야에서 사용됩니다. 예를 들어, 새로운 통신 프로토콜의 개발에서 FPGA는 프로토콜의 논리를 구현하고 설계가 발전함에 따라 쉽게 재구성 될 수 있도록 프로그래밍 할 수 있습니다. 또한 하드웨어를 실제로 사용자 정의 할 수있는 기능이 특정 알고리즘에 대해 상당한 속도를 제공 할 수있는 일부 높은 성능 컴퓨팅 애플리케이션에서도 사용됩니다.

디지털 통합 회로의 중요성

디지털 통합 회로전자 제품 분야에 혁명을 일으켰습니다. 그들의 작은 크기, 저전력 소비, 높은 신뢰성 및 고속으로 복잡한 운영을 수행하는 능력으로 인해 현대 기술에 없어서는 안될 것입니다. 그들은 손목의 작은 웨어러블 피트니스 트래커에서 인터넷을 실행하는 강력한 서버에 이르기까지 전자 장치의 소형화를 가능하게했습니다. 디지털 통합 회로의 개발은 또한 통신, 의료 (예 : 의료 이미징 장치 및 환자 모니터링 시스템), 자동차 (엔진 제어 및 드라이버 지원 시스템과 같은 기능) 및 항공 우주 (항공 및 위성 통신)와 같은 산업의 발전에 중요한 동인이었습니다. 요컨대, 디지털 통합 회로는 디지털 시대의 초석이며, 우리가 의존하게 된 기술을 구동하는 라이프 스타일을 가능하게합니다.