淺析數字電路的發展趨勢

張麗霞 張慶元 曹石

摘 要：本文從數字電路的發展談起，詳細闡述了數字電路的含義及特點，并對數字電路的發展趨勢進行了分析與預測。

關鍵詞：數字電路 發展趨勢 特點

中圖分類號：TN79+1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（a）-0120-01

隨著社會的不斷發展，計算機技術也在不斷的發展，在社會中，用到數字電路來進行信號上的處理，這些優勢也顯得更加的突出。我們可以利用數字電路在信號處理上可以很好的發揮出自身的強大功能，首先，就需要將模擬的信號按照比例將其轉換為數字信號；其次，就是在將其送到數字電路上進行相應的處理；最后，就是將處理的結果根據需要將其轉換成為相應的模擬信號輸出。自20世紀70年代開始，在電子技術應用領域中，運用這種數字電路進行處理模擬信號，也就是所謂的“數字化”已經被廣泛應用。

1 數字電路的發展

數字電路也稱數字系統，是用數字信號完成對數字量進行算術運算和邏輯運算的電路。由于它具有邏輯運算和邏輯處理功能，所以又稱數字邏輯電路?，F代的數字電路是由半導體工藝制成的若干數字集成器件構造而成的，邏輯門是數字邏輯電路的基本單元。從整體上看，數字電路可以分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類。

數字電路的發展與模擬電路一樣經歷了由電子管、半導體分立器件到集成電路等幾個時代。但其發展比模擬電路發展的更快。從20世紀60年代開始，數字集成器件以雙極型工藝制成了小規模邏輯器件，隨后發展到中規模邏輯器件；20世紀70年代末，微處理器的出現，使數字集成電路的性能產生質的飛躍。

數字集成器件所用的材料以硅材料為主，在高速電路中，也使用化合物半導體材料，例如砷化鎵等。

邏輯門是數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，其工藝經過不斷改進，至今仍為主要的基本邏輯器件之一。隨著CMOS工藝的發展，TTL的主導地位受到了動搖，有被CMOS器件所取代的趨勢。

近幾年來，可編程邏輯器件PLD特別是現場可編程門陣列FPGA的飛速進步，使數字電子技術開創了新局面，不僅規模大，而且將硬件與軟件相結合，使器件的功能更完善，使用更靈活。

2 數字電路的主要特點

2.1 同時具有算術運算和邏輯運算功能

數字電路中的數學基礎主要是以二進制邏輯代數為主，主要運用了二進制的數字信號，不僅可以很方便的進行與、或、非、判斷、比較、處理等邏輯運算，還可以進行算術運算，因此，二進制邏輯代數可以應用到運算、傳輸、控制、決策、儲存以及比較當中。

2.2 實現簡單，系統可靠

數字邏輯電路只要以二進制作為基礎，其自身的可靠性比較強。其中對該電路上，電源電壓較小使，對其不產生影響，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，功能實現容易

數字電路具有功耗低、體積小以及集成度高的特點，其中還包含了：電路設計、維修、維護上比較靈活方面，隨著社會的不斷發展，集成電路的相關技術也在斷的發展，其中數字邏輯電路的集成度也相對的變高，同時隨著SSI（小規模）、MSI（中規模）、LSI（大規模）、以及VLSI（超大規模）等方面的集成電路的發展，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級。而電路的設計則是采用了一些比較標準的集成電路塊單元來連接形成。對于一些非標準的電路還可以選擇可編程序邏輯來陳列電騾，通過運用編程的方法來實現對特殊電路任意的邏輯功能。

3 新技術條件下數字電路的發展趨勢

在新技術條件下，半導體技術與工藝、平板刷技術等的發展為數字電路的發展提供了技術保證。數字電路逐漸向著高度復雜化、集成化及智能化發展，其運算速度也越來越高。能夠集成數億的微處理器，閃盤的容量可達64GB，部分ASIC所擁有的門電路數量也可達1000萬以上，而FPGA的門電路數量也達到了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，高速緩存至少能達到三級。這樣就使得CPU對外部存儲器的讀寫數量不斷減少，提高了CPU的數據吞吐量，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核提高到一個新的水平。DSP芯片正在向更高的結構轉變，在多數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。在現階段，處理器的結算能力在持續提升，由于眾多新型的存儲結構單元相繼出現，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的最前沿技術，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行數據的存取，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 運算速度進行預設，其運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，人們會不斷地開發出存取速度更快的接口，為更高帶寬的引進打下堅實的物理基礎。

非動態的隨機存儲器（SRAM）在密度方面也在進行不斷的升級?，F如今，6MB 的芯片已經投入市場，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來講接口運行速度的加快是至關重要的。

目前，通過降低絕緣材料的介電常數來提升電路性能也是重要的手段。

綜上所述，在存儲器領域。新型非易失性技術為電路設計人員提供了較多新的選擇。鐵電存儲器技術也在快速發展，這提供了一種可能—— 把易失性的存儲器從理想走向現實，可以在無電源的情況下對數據進行無限期保存，而且不會出現任何形式的數據損耗，運算器能夠在極小的空間進行幾乎無盡的復雜運算。

參考文獻

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