في عالم الإلكترونيات الحديثة التي تسير بخطى سريعة ،الدوائر المتكاملة الرقمية (ICS)هم الأبطال المجهولون الذين يعملون على تشغيل كل شيء من هواتفنا الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة إلى أجهزة الكمبيوتر العملاقة المعقدة وأنظمة التحكم الصناعية. ولكن ما هي بالضبط دائرة متكاملة رقمية؟
الدائرة المتكاملة الرقمية ، المعروفة أيضًا باسم الدائرة المتكاملة المنطقية ، هي دائرة إلكترونية مصممة لمعالجة الإشارات الرقمية ومعالجتها. يعتمد على مبادئ المنطق الرقمي ، الذي يستخدم الأرقام الثنائية (0S و 1S) لتمثيل المعلومات. يتم تصنيع هذه الدوائر على ركيزة واحدة أشباه الموصلات ، وعادة ما تكون مصنوعة من السيليكون ، وتحتوي على عدد كبير من المكونات الإلكترونية المترابطة مثل الترانزستورات والمقاومات والمكثفات والثنائيات.
الوظيفة المنطقية للدوائر المتكاملة الرقمية
الدوائر المنطقية الرقميةيمكن تقسيمها إلى فئتين: دوائر منطقية متوازنة ودوائر منطقية متسلسلة. في دائرة منطقية تجميعية ، يعتمد الإخراج في أي لحظة فقط على المدخلات في تلك اللحظة ، بدلاً من حالة العمل السابقة للدائرة. تشمل الدوائر المنطقية المركب الأكثر استخدامًا المشفرات ، وحرزات فك التشفير ، ومحددات البيانات ، والمقارنات العددية ، والمقارنات الكاملة ، ومدسم التكافؤ ، من بين أمور أخرى.
الشكل 1. دائرة المنطق التوافقي
في دائرة منطقية متسلسلة ، يعتمد الإخراج في أي لحظة على المدخلات في تلك اللحظة ولكن أيضًا على الحالة الأصلية للدائرة. لذلك ، يجب أن تحتوي الدوائر المنطقية المتسلسلة على وظيفة ذاكرة ويجب أن تتضمن دوائر وحدة التخزين. السجلات وسجلات التحول والعدادات هي الدوائر المنطقية المتسلسلة الأكثر استخدامًا.
الشكل 2. دائرة المنطق المتسلسل
بالنسبة للتطبيقات المختلفة لهذين النوعين من الدوائر المنطقية ، هناك منتجات دوائر متكاملة موحدة وسلسلة ، والتي يشار إليها عادةً باسم دوائر متكاملة للأغراض العامة. في المقابل ، تسمى تلك الدوائر المتكاملة المصممة والتصنيع لأغراض محددة الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيق (ASICS).
التصميم الداخلي للدوائر المتكاملة الرقمية
دائرة رقميةيتكون من المنطق التوافقي والسجلات (Flip-Flops). المنطق التوافقي ، وهي وظيفة مكونة من دوائر البوابة الأساسية ، لها مخرجات تعتمد فقط على المدخلات الحالية. يوضح الرسم البياني الأول في الشكل 3 المنطق التوافقي ، والذي يؤدي فقط عمليات منطقية. في المقابل ، لا تحتوي الدائرة المتسلسلة على دوائر البوابة الأساسية فحسب ، بل تحتوي أيضًا على عناصر التخزين المستخدمة للاحتفاظ بالمعلومات السابقة. يرتبط إخراج الحالة المستقرة لدائرة متسلسلة بكل من المدخلات الحالية والحالة التي تشكلت بواسطة المدخلات السابقة. أثناء إجراء العمليات المنطقية ، يمكن تخزين نتائج المعالجة مؤقتًا للاستخدام في العملية التالية ، كما هو موضح في المخطط الثاني.
من الناحية الوظيفية ، يمكن تقسيم الجزء الداخلي للدائرة المتكاملة الرقمية إلى جزأين: مسار البيانات ومنطق التحكم. يدمج كلا الجزأين عددًا كبيرًا من الدوائر المنطقية المتسلسلة ، ومعظمها هي دوائر متتابعة متزامنة. تنقسم دائرة متتابعة إلى عدة عقد من خلال سجلات متعددة ، وتشغل هذه السجلات في نفس الإيقاع تحت سيطرة الساعة ، مما يبسط عملية التصميم.
الشكل 3. الهيكل الداخلي للدوائر المتكاملة الرقمية
على ممارسات التصميم على المدى الطويل ، تم تطوير العديد من وحدات الأغراض العامة القياسية. وتشمل هذه المحددات (المعروفة أيضًا باسم مضاعفة الإرسال ، والتي يمكنها تحديد إخراج واحد من بيانات الإدخال المتعددة) ، والمقارنات (المستخدمة لمقارنة أحجام رقمين) ، والمضاعفات ، وسجلات التحول ، وما إلى ذلك. تحتوي دوائر الوحدات هذه على أشكال منتظمة وسهلة الاندماج ، وهذا هو السبب أيضًا في تحقيق الدوائر الرقمية تطوير أفضل في الدوائر المتكاملة.
يتم توصيل هذه الوحدات وفقًا لمتطلبات التصميم لتشكيل مسار بيانات. يتم إرسال البيانات المراد معالجتها من نهاية الإدخال إلى نهاية الإخراج من خلال هذا المسار ، ويتم الحصول على نتيجة المعالجة النهائية. في الوقت نفسه ، يجب أن يعمل منطق التحكم المصمم خصيصًا وكل مكون يتحكم في مسار البيانات وفقًا للمتطلبات الوظيفية الخاصة بكل منهما وعلاقات توقيت محددة.
نماذج من الرقائق المتكاملة الرقمية
نموذج أرقاقة رقمية متكاملةيتكون عادة من ثلاثة أجزاء: بادئة ، ورقم تسلسلي ، ولاحقة ، يحمل كل منها معلومات محددة:
بادئة: يمثل في الغالب الشركة المصنعة أو السلسلة التي تنتمي إليها الشريحة. على سبيل المثال ، سلسلة "74" هي بادئة شائعة لبطاطا TTL الرقمية ، التي تنتجها العديد من الشركات المصنعة ؛ سلسلة "CD40" هي بادئة نموذجية لرقائق CMOS ، التي تهيمن عليها الشركات المصنعة مثل Texas Instruments (TI).
رقم سري: يتم استخدامه لتمييز النموذج الوظيفي المحدد للرقاقة. على سبيل المثال ، يشير "00" في 74LS00 إلى أن الرقاقة هي بوابة NAND رباعية 2 ، في حين أن "595" في 74HC595 يمثل سجل تحول 8 بت.
لاحقة: عادة ما يمثل المعلمات مثل نموذج التغليف الخاص بالرقاقة ونطاق درجة الحرارة. على سبيل المثال ، يرمز "DIP" إلى حزمة مزدوجة في الخط ، "SMD" لحزمة الجهاز السطحي ؛ "-40 ℃ ~ 85 ℃" يشير إلى نطاق درجة حرارة التشغيل للرقاقة.
توفر طريقة تسمية النموذج هذه للمصممين أساسًا لتحديد الهوية ، مما يتيح لهم الحكم بسرعة على وظيفة الشريحة والسيناريوهات المعمول بها والخصائص الفيزيائية.
أنواع الرقائق المتكاملة الرقمية
استنادًا إلى بنية الدائرة والوظيفة وسيناريوهات التطبيق ،رقائق رقمية متكاملةيمكن تقسيمها إلى الأنواع الرئيسية التالية:
1. تصنيفها بواسطة هيكل الدائرة
رقائق TTL (منطق ترانزستور ترانسستور): تتمركز على الترانزستورات ثنائية القطب وتعتمد على كل من الإلكترونات والثقوب للتوصيل. إنها تتميز بسرعات التبديل السريع وقدرات القيادة القوية ولكن لديها استهلاك الطاقة العالي نسبيا. تنتمي سلسلة 74 الشائعة (مثل وحدة فك ترميز 74LS138) إلى رقائق TTL وتم استخدامها على نطاق واسع في الأنظمة الرقمية المبكرة.
رقائق CMOS (تشكل أكسيد المعادن التكميلي): وهي تتكون من بنية تكميلية من الترانزستورات PMOs و NMOS ، مما يؤدي إلى الكهرباء بنوع واحد فقط من الناقل. لديهم مزايا مثل انخفاض استهلاك الطاقة ، ومقاومة المدخلات العالية ، ونطاق جهد إمدادات الطاقة الواسعة ، مما يجعلها النوع السائد من الرقائق الرقمية حاليًا. ومن الأمثلة على ذلك سلسلة CD4000 وسلسلة 74HC (مثل العاكس 74HC04) ، والتي تستخدم على نطاق واسع في الأجهزة المحمولة وأنظمة الطاقة المنخفضة.
2. تصنف حسب الوظيفة
رقائق بوابة المنطق: يقومون بتنفيذ العمليات المنطقية الأساسية وهي أساس الدوائر المعقدة. وهي تشمل البوابات (مثل 74LS08) ، أو البوابات (مثل 74LS32) ، وليس البوابات (مثل 74LS04) ، والبوابات المنطقية المركبة (مثل NAND GATE 74LS00 و NOR GATE 74LS02).
رقائق المنطق المتسلسل: أنها تحتوي على وحدات تخزين ، وتعتمد مخرجاتها على كل من المدخلات الحالية والحالات التاريخية ، وتستخدم لتنفيذ وظائف مثل العد والتخزين. ومن الأمثلة على ذلك العداد 4 بتات 74LS161 و 8 بت التسجيل 74LS373 ، وسجل Shift 74LS164.
رقائق معالجة البيانات: يتم استخدامها لعمليات محددة مثل اختيار البيانات والترميز وفك التشفير. على سبيل المثال ، محدد البيانات 8-to-1 74LS151 و 3-to-8 decoder 74LS138 و BCD-to-Seven Seven Seven 74LS48.
3. تصنيفها بواسطة سيناريو التطبيق
دوائر متكاملة للأغراض العامة: مصممة للوظائف الموحدة ، فهي مناسبة لسيناريوهات متعددة ولها براعة وقابلية للتبادل. تندرج البوابات المنطقية المذكورة أعلاه ، العدادات ، السجلات ، وما إلى ذلك ، في هذه الفئة. على سبيل المثال ، يمكن استخدام رقائق سلسلة 74 و CD4000 بمرونة في الأنظمة الرقمية المختلفة.
الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيق (ASICS): مصممة خصيصًا لسيناريوهات محددة ، مثل رقائق معالجة إشارة الصورة في الهواتف الذكية ورقائق التحكم على متن الطائرةفي إلكترونيات السيارات. يمكن لـ ASICs تحسين الأداء وتقليل استهلاك الطاقة إلى أقصى حد ولكن لديها تكاليف تصميم عالية ودورات طويلة ، مما يجعلها مناسبة للأجهزة المخصصة التي تنتجها الكتلة.
أجهزة المنطق القابلة للبرمجة (PLD): بما في ذلك FPGAs (صفائف البوابة القابلة للبرمجة الميدانية) و CPLDS (أجهزة منطق قابلة للبرمجة معقدة) ، فإنها تتيح للمستخدمين تخصيص وظائف منطقية من خلال البرمجة. على سبيل المثال ، يمكن استخدام سلسلة FPGAs الخاصة بـ Xilinx في تطوير النموذج الأولي أو سيناريوهات التخصيص الصغيرة ، وموازنة المرونة والأداء.
تدعم هذه الأنواع المختلفة من الرقائق الرقمية المتكاملة بشكل جماعي بناء كل شيء من التحكم المنطقي البسيط إلى الأنظمة الرقمية المعقدة ، وتلبية احتياجات التصميم الإلكترونية المتنوعة.
تصنيف الدوائر المتكاملة الرقمية على أساس مقياس التكامل
تكامل النطاق الصغير (SSI): تحتوي دوائر SSI عادة على ما يصل إلى 10 بوابات أو بضع عشرات مكونات. غالبًا ما تستخدم هذه الدوائر لوظائف المنطق الأساسية في الأنظمة الرقمية البسيطة. على سبيل المثال ، رقاقة 7400 ، والتي تحتوي على أربعة بوابات NAND ، هي جهاز SSI شائع. يمكن استخدامه في تطبيقات مثل دوائر التحكم المنطقية البسيطة ، حيث تكون العمليات المنطقية الأساسية مطلوبة.
تكامل النطاق المتوسط (MSI): دارات MSI لديها ما بين 10 و 100 غيتس أو بضع مئات من المكونات. يتم استخدامها لوظائف أكثر تعقيدًا. شريحة 74161 ، وهي عداد متزامن 4 بت ، هي مثال لجهاز MSI. تستخدم العدادات على نطاق واسع في الأنظمة الرقمية للمهام مثل حساب الأحداث ، وتوليد إشارات التوقيت ، والتحكم في تسلسل العمليات.
التكامل الكبير - النطاق (LSI): تحتوي دوائر LSI على 100 إلى 10،000 بوابة أو آلاف المكونات. رقائق الذاكرة مثل ذكريات الوصول العشوائية الساكنة المبكرة (SRAMs) والمعالجات الدقيقة البسيطة هي أمثلة على أجهزة LSI. قد يتم تنفيذ المعالج الدقيق 8 بت باستخدام تقنية LSI. يمكنه تنفيذ مجموعة من الإرشادات ، وإجراء العمليات الحسابية والمنطقية ، والتحكم في تدفق البيانات داخل النظام الرقمي.
التكامل المقياس الكبير جدا (VLSI): دارات VLSI لديها أكثر من 10000 غيتار أو مئات الآلاف إلى ملايين المكونات. المعالجات الدقيقة الحديثة ، مثل تلك الموجودة في أجهزة الكمبيوتر الشخصية ، وذكريات الوصول العشوائية الديناميكية الكبيرة - هي أمثلة كلاسيكية لأجهزة VLSI. قد تحتوي وحدة المعالجة المركزية على سطح المكتب عالية على مليارات الترانزستورات ، والتي يتم تنظيمها في دوائر منطقية معقدة لأداء مهام حسابية سريعة ومتطورة للغاية.
التكامل الفائق - الكبير - المقياس (ULSI) و GIGA - تكامل المقياس (GSI): يشير ULSI إلى الدوائر ذات مستوى أعلى من التكامل ، وغالبًا ما يكون في عشرات الملايين من المكونات. تتضمن GSI ، وهي مرحلة أكثر تقدماً ، دمج مكونات مليار مكون على شريحة واحدة. الحالة - من - معالجات الهاتف المحمول الفنية وبعض وحدات معالجة الرسومات عالية الأداء (GPU) تندرج في هذه الفئة. هذه الرقائق قادرة على التعامل مع كميات هائلة من البيانات وأداء العمليات المعقدة بسرعات عالية ، وتمكين ميزات مثل معالجة الفيديو عالية التعريف ، وتقديم الرسومات ثلاثية الأبعاد ، وخوارزميات الذكاء الاصطناعي المتقدمة.
دigitalأناntegratedجircuits | نumber منزأكلت الدوائر | عدد المكونات |
دوائر SSI | 10 | & le ؛100 |
دوائر MSI | 10-100 | 100-1000 |
دوائر LSI | > 100 | 1،000-10،000 |
دوائر VLSI | > 10000 | 100،000-1،000،000 |
دوائر أولسي | > 100،000 | 1،000،000-10،000،000 |
كيف تعمل الدوائر المتكاملة الرقمية؟
الدوائر المتكاملة الرقميةتعمل على أساس النظام الثنائي. الترانزستورات داخل الدائرة تعمل كمفاتيح. عند تشغيل ترانزستور ، فإنه يمثل منطقًا 1 (عادةً ما يكون مستوى الجهد العالي) ، وعندما يتم إيقاف تشغيله ، فإنه يمثل منطقًا 0 (عادةً ما يكون مستوى الجهد المنخفض). يتم التحكم في تدفق التيار الكهربائي من خلال هذه الترانزستورات بواسطة إشارات الإدخال المطبقة على الدائرة.
في الدوائر المتكاملة الرقمية الأكثر تعقيدًا ، مثل المعالجات الدقيقة ، يتم دمج عدد كبير من هذه العناصر المنطقية الأساسية وتنظيمها بطريقة هرمية. يعرض المعالج الدقيق تعليمات من الذاكرة ، ويكشفها لفهم ما يجب إجراء العملية ، ثم ينفذ تلك التعليمات باستخدام وحدات الحساب والمنطقية (ALUS) وغيرها من الكتل الوظيفية داخل الشريحة. يتم تخزين البيانات ومعالجتها في السجلات ، والتي هي في الأساس عناصر ذاكرة الوصول السريعة والوصول السريع داخل المعالج الدقيق.
استخدام وتطبيق الدوائر المتكاملة الرقمية
المعالجات الدقيقة: المعالجات الدقيقة هي أدمغة نظام الكمبيوتر. يقومون بتنفيذ مجموعة من الإرشادات المخزنة في الذاكرة لأداء مهام مثل العمليات الحسابية ومعالجة البيانات والتحكم في المكونات الأخرى في النظام. على سبيل المثال ، يمكن لمعالجات Intel Core Series المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر المكتبية والكمبيوتر المحمول إجراء مليارات التعليمات في الثانية. تم تصميمها لتكون متعددة الاستخدامات للغاية ويمكن برمجتها للتعامل مع مجموعة واسعة من التطبيقات ، من معالجة النصوص وتصفح الويب إلى عمليات المحاكاة العلمية المعقدة والألعاب.
ICS الذاكرة:دوائر متكاملة للذاكرةتستخدم لتخزين البيانات والبرامج. هناك نوعان رئيسيان: قراءة - الذاكرة فقط (ROM) وذاكرة الوصول العشوائية (RAM). يقوم ROM بتخزين البيانات بشكل دائم ويستخدم للاحتفاظ بنظام الإدخال/الإخراج الأساسي (BIOS) في الكمبيوتر ، والذي يحتوي على تعليمات بدء التشغيل. RAM ، من ناحية أخرى ، هي ذاكرة متقلبة تستخدم لتخزين البيانات مؤقتًا التي يعمل عليها الكمبيوتر حاليًا. يتم استخدام ذاكرة الوصول العشوائية الديناميكية (DRAM) بشكل شائع في أجهزة الكمبيوتر بسبب سعة التخزين العالية وتكلفة منخفضة نسبيًا ، في حين أن ذاكرة الوصول العشوائية الثابتة (SRAM) أسرع ولكنها أكثر تكلفة وغالبًا ما تستخدم في ذكريات ذاكرة التخزين المؤقت لتسريع الوصول إلى البيانات.
المنطق ICS: يتم استخدام ICS المنطق لأداء العمليات المنطقية المختلفة. يمكن أن تكون بوابات منطقية بسيطة ، كما هو مذكور سابقًا ، أو دوائر منطقية أكثر تعقيدًا وتتابعًا. الدوائر المنطقية التوافقية ، مثل المضاعفات (التي تحدد واحدة من عدة إشارات الإدخال التي سيتم توجيهها إلى الإخراج) و Acteders (التي تقوم بتحويل رمز ثنائي إلى مجموعة من إشارات الإخراج) ، لها مخرجات تعتمد فقط على قيم الإدخال الحالية. تحتوي الدوائر المنطقية المتسلسلة ، مثل Flip - Flops والعدادات ، على مخرجات لا تعتمد فقط على المدخلات الحالية ولكن أيضًا على الحالة السابقة للدائرة. هذه الدوائر ضرورية للمهام مثل تخزين البيانات واسترجاعها ومعالجتها في الأنظمة الرقمية.
التطبيق - دوائر متكاملة محددة (ASICS): ASICs هي دوائر متكاملة مصممة لتطبيق معين. على سبيل المثال ، في الكاميرا الرقمية ، قد يكون هناك ASIC مصمم خصيصًا لمعالجة الصور. تم تحسين هذه الشريحة لأداء مهام مثل التحكم في مستشعر الصور وتصحيح اللون والضغط. تقدم ASIC مزايا مثل الحجم الأصغر ، وانخفاض استهلاك الطاقة ، والأداء الأعلى للتطبيق المحدد الذي تم تصميمه من أجله ، مقارنة باستخدام ICS للأغراض العامة.
الحقل - صفائف البوابة القابلة للبرمجة (FPGAs): FPGAs هي أجهزة منطقية قابلة للبرمجة تتيح للمستخدمين تكوين وظائف المنطق للرقاقة بعد تصنيعها. أنها تحتوي على عدد كبير من الكتل المنطقية القابلة للبرمجة والترابط. يتم استخدام FPGAs في التطبيقات التي تكون فيها المرونة مطلوبة ، مثل النماذج الأولية للتصميمات الرقمية الجديدة. على سبيل المثال ، في تطوير بروتوكول اتصال جديد ، يمكن برمجة FPGA لتنفيذ منطق البروتوكول ويمكن إعادة تشكيلها بسهولة مع تطور التصميم. يتم استخدامها أيضًا في بعض تطبيقات الحوسبة عالية الأداء حيث يمكن أن توفر القدرة على تخصيص الأجهزة في الوقت الحقيقي - سرعة كبيرة - لأعلى لخوارزميات محددة.
أهمية الدوائر المتكاملة الرقمية
الدوائر المتكاملة الرقميةلقد أحدثت ثورة في مجال الإلكترونيات. إن حجمها الصغير ، وانخفاض استهلاك الطاقة ، وموثوقية عالية ، وقدرة على إجراء عمليات معقدة بسرعات عالية جعلتها لا غنى عنها في التكنولوجيا الحديثة. لقد مكّنوا من تصغير الأجهزة الإلكترونية ، من أجهزة تتبع اللياقة البدنية القابلة للارتداء على معصمينا إلى الخوادم القوية التي تدير الإنترنت. لقد كان تطوير الدوائر المتكاملة الرقمية أيضًا محركًا رئيسيًا في تقدم الصناعات مثل الاتصالات السلكية واللاسلكية والرعاية الصحية (على سبيل المثال ، في أجهزة التصوير الطبية وأنظمة مراقبة المرضى) ، والسيارات (للوظائف مثل التحكم في المحرك - أنظمة السائق) ، والفضاء الجوي (للاتصالات بالأشقل والاتصالات القمراتي). باختصار ، تعتبر الدوائر المتكاملة الرقمية حجر الزاوية في العصر الرقمي ، مما يتيح للتكنولوجيا - نمط الحياة المدفوعة الذي وصلنا إليه.
منتجات البيع الساخنة من كذا
71421LA55J8 UPD44165184BF5-E40-EQ3-A SST39VF800A-70-4C-B3KE IS66WV1M16DBLL-55BLI-TR AS4C32M16SB-7BIN W25Q16FWSNIG
AS7C34098A-20JIN 752369-581-C W957D6HBCX7I TR IS61LPS12836EC-200B3LI MX25L12875FMI-10G QG82915PL
معلومات المنتج منSIC Electronics Limited. إذا كنت مهتمًا بالمنتج أو تحتاج إلى معلمات المنتج ، فيمكنك الاتصال بنا عبر الإنترنت في أي وقت أو إرسال بريد إلكتروني إلينا: sales@sic-chip.com.
قائمة الأمنيات (0 عناصر)