基于邏輯門搭建的用于處理數(shù)字信號的集成電路

什么是數(shù)字集成電路呢？標(biāo)準(zhǔn)的定義是：數(shù)字集成電路是基于數(shù)字邏輯（布爾代數(shù)）設(shè)計和運行的，基于邏輯門搭建的，用于處理數(shù)字信號的集成電路。數(shù)字電路是用來處理0和1的信號的，在數(shù)字電路中，就只有0和1這兩個狀態(tài)。數(shù)字電路通過復(fù)雜的邏輯門設(shè)計，通過簡單的0和1這兩個狀態(tài)的組合，就能實現(xiàn)非常復(fù)雜的功能。數(shù)字電路是用來處理數(shù)字信號的，那集成兩個字如何體現(xiàn)呢？“集成”的意思就是，把整個數(shù)字電路系統(tǒng)所有的元器件，包括電容，電阻，電感和晶體管以及互連線，制作在一小塊半導(dǎo)體晶片上，然后封裝在一起，最終實現(xiàn)的產(chǎn)品就是我們?nèi)粘Ｊ褂玫哪莻€指甲蓋大小的小黑片。

數(shù)字電路中的數(shù)字信號是指在時間上離散，在數(shù)值上也離散，且數(shù)值的大小和增減都是量化單位的整數(shù)倍的一類信號。處理數(shù)字信號的電子電路稱為數(shù)字電路。數(shù)字電路是以布爾代數(shù)為理論基礎(chǔ)，以邏輯門為基礎(chǔ)原件，通過非常復(fù)雜的邏輯設(shè)計，可以實現(xiàn)各種各樣的數(shù)字邏輯功能。

一個簡單的數(shù)字電路模型可以理解為如下，它有若干的輸入（input），若干個輸出（output），以及一個時鐘信號（clock）。輸入信號在數(shù)字電路模塊內(nèi)部經(jīng)過若干復(fù)雜的邏輯處理后，從輸出端口輸出。而模塊內(nèi)部復(fù)雜的邏輯功能，則是設(shè)計人員工作的重點。在數(shù)字電路中的信號都是離散的二值信號，用數(shù)字0和1表示。

布爾代數(shù)是能實現(xiàn)數(shù)字邏輯功能的理論，數(shù)字電路的物理基礎(chǔ)是半導(dǎo)體理論。基于半導(dǎo)體工藝，可以制作出符合布爾代數(shù)的實際物理器件，即與，或，非這些基本的門級電路，利用這些門級電路結(jié)構(gòu)，可以搭建出更加復(fù)雜的數(shù)字邏輯電路?；陂T級電路，可以搭建出編碼器，譯碼器，數(shù)字選擇器，加法器，等等的基本模塊，利用這些基本模塊，可以搭建出復(fù)雜的專用系統(tǒng)，如接口信號協(xié)議轉(zhuǎn)換，圖像處理芯片，DSP芯片等等。

組合邏輯電路

組合邏輯電路的特點是輸出只取決于當(dāng)前的輸入，而與之前的輸入無關(guān)，即組合邏輯電路沒有記憶功能。對應(yīng)的電路特點就是組合邏輯電路只由基本的邏輯門原件構(gòu)成，沒有使用到寄存器和時鐘信號。當(dāng)信號從輸入端口輸入后，經(jīng)過短暫的電路延遲，結(jié)果就從輸出端口輸出，不用等待時鐘信號來同步。

組合邏輯電路有基本的與門，或門，非門組成。用與，或，非三種運算符和邏輯變量可以構(gòu)成任何的邏輯函數(shù)，依次稱這三個邏輯運算符是一組完備集。任何邏輯函數(shù)都可以用這三種邏輯符運算來加以表示。一個邏輯函數(shù)也可以有多種的函數(shù)表達形式。根據(jù)真值表，可以將任意的邏輯函數(shù)轉(zhuǎn)化為最大項或最小項表達式，進而化簡到需要的最簡的表達式。

一個組合邏輯電路的功能有多種表達形式，例如表達式，波形圖，符號圖燈，但能體現(xiàn)組合邏輯電路最本質(zhì)的還是真值表。真值表是列出了邏輯事件輸入和輸出之間全部可能狀態(tài)的表格。通常以1表示真，以0表示假。在FPGA的內(nèi)部，將一切的組合邏輯電路以真值表的形式存儲在LUT（look up table ，查找表）中，根據(jù)輸入來將真值表中的對應(yīng)的值進行輸出，達到實現(xiàn)組合邏輯電路的功能。

例如，利用組合邏輯電路，就可以實現(xiàn)二進制的加法。首先根據(jù)加法的規(guī)律，列出二進制加法的真值表，根據(jù)真值表，化簡得到邏輯表達式，然后用基本的電路原件加以實現(xiàn)即可。

時序邏輯電路

時序邏輯電路的基礎(chǔ)是觸發(fā)器，盡管在數(shù)字電路中我們學(xué)習(xí)了許多種類的觸發(fā)器，例如RS觸發(fā)器，JK觸發(fā)器，T觸發(fā)器，但在實際的工程設(shè)計中，用到的最多的還是D觸發(fā)器。常見的D觸發(fā)器由數(shù)據(jù)輸入端口D，數(shù)據(jù)輸出端口Q，時鐘端口CLK，復(fù)位端口RESET組成。D觸發(fā)器的特點是在時鐘clk的上升沿，觸發(fā)器會接收D端的數(shù)據(jù)并在Q端輸出，在其余的時刻，D觸發(fā)器Q端的值保持不變。在通常的數(shù)字電路設(shè)計中，都統(tǒng)一使用同一個時鐘信號，稱為同步時序電路。 時序邏輯電路由組合邏輯電路和存儲電路兩部分組成。存儲部分通常就由觸發(fā)器組成?；冢挠|發(fā)器的時鐘觸發(fā)特性和保持特性，用觸發(fā)器保持電路的臨時狀態(tài)值，在觸發(fā)器的輸入端接入組合邏輯電路，用于實現(xiàn)邏輯功能，再將組合邏輯的輸出連接到需要觸發(fā)器的輸入端口中，在下一個時鐘的上升沿，觸發(fā)器在次采樣保持該組合邏輯的輸出，由此構(gòu)成了基于歷史狀態(tài)時序邏輯電路。

例如，對于一個基于時鐘的計數(shù)器，在復(fù)位時，使計數(shù)器的寄存器的值復(fù)位為０，將寄存器的輸出端連接到加法器的一個輸入上，加法器的另一個輸入設(shè)置為１，然后再將加法器的輸出端口連接到計數(shù)器寄存器的輸入端口，形成邏輯閉環(huán)。在非時鐘上升沿，加法器將寄存器輸出的值加１，在時鐘上升沿，將加１的結(jié)果再采樣保持到寄存器中標(biāo)并輸出。由此，就能實現(xiàn)每個時鐘計數(shù)器加１的功能。

數(shù)字集成電路又分為專用集成電路和通用集成電路。專用集成電路是為實現(xiàn)特定功能而設(shè)計制造的集成電路。所謂專用集成電路就是我們常說的 ASIC ，是 Application Specific IntegratedCircuit 的縮寫，它是直接按功能和要求設(shè)計出整個系統(tǒng)，并把這個系統(tǒng)做到集成電路上。ASIC 在批量生產(chǎn)時與通用集成電路相比具有體積更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強、成本降低等優(yōu)點。通用集成電路：所謂通用集成電路就是我們常說的 51 單片機、DSP（數(shù)字信號處理器），與 ARM 等等，這些芯片中包含了通用微處理器，需要二次開發(fā)，才能用于某一用途。通用集成電路還包括俗稱的“電路零件”，就是從各種各樣的相對明確的應(yīng)用當(dāng)中提取出來的公共部分，比如：我們在學(xué)習(xí)數(shù)字電路中用到的各種 74 系列數(shù)字門電路、A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器、電源電路等等，這些通用集成電路的特點是可以被各種各樣的應(yīng)用系統(tǒng)直接添加進去完成基本的功能的部分，本質(zhì)上是分立的。

硬件描述語言（HDL）

隨著數(shù)字集成電路設(shè)計的規(guī)模越來越大，門數(shù)越來越多，功能越來越復(fù)雜，現(xiàn)在的集成電路設(shè)計不可能從門級電路開始設(shè)計。隨著EDA設(shè)計工具的成熟以及基礎(chǔ)模塊設(shè)計的日趨成熟和完善化，數(shù)字集成電路設(shè)計可以往更高一個層級入手。由于基本的例如加法器，比較器，編碼器，譯碼器，寄存器等基礎(chǔ)模塊以及開發(fā)設(shè)計的非常完善，故只需要在這一層級上，調(diào)用這些基礎(chǔ)原件進行設(shè)計即可。而硬件描述語言（HardwareDescription Language，HDL）就是進行這一項工作的。我們在開發(fā)設(shè)計電路時，只要按照HDL語言的規(guī)范進行代碼編寫，EDA軟件就會自動根據(jù)特定的算法將我們用代碼描述的電路翻譯（專業(yè)術(shù)語為“綜合”）為這些基本的電路單元。然后在根據(jù)所依賴的器件和工藝的不同，將這些基本模塊映射為門級電路，用以制造專用集成電路（ASIC），或者在FPGA上映射為以LUT和寄存器為基礎(chǔ)原件的電路。

技術(shù)的發(fā)展是十分快的，Verilog語言開發(fā)與1989年，如今已經(jīng)經(jīng)過了30年的發(fā)展，基于Verilog的集成電路設(shè)計也已經(jīng)十分的成熟。在以后的技術(shù)發(fā)展中，肯定會出現(xiàn)一種比HDL語言更高層級的集成電路設(shè)計工具，利用在現(xiàn)階段已經(jīng)做得非常成熟的模塊，將這些模塊再作為設(shè)計基礎(chǔ)，進行更高層級的設(shè)計開發(fā)，實現(xiàn)更高層級的更復(fù)雜的功能。設(shè)計工具的出現(xiàn)，將開發(fā)人員從底層重復(fù)繁瑣的工作中解放出來，讓他們能從跟高層級來進行思考和設(shè)計，大大的提高了設(shè)計的便利性，這也就是技術(shù)發(fā)展的趨勢。而作為一名技術(shù)開發(fā)人員，也要跟隨技術(shù)發(fā)展的潮流，不斷地學(xué)習(xí)新的技術(shù)，才能保持競爭力。

SOC設(shè)計

SOC，是片上系統(tǒng)（system on chip）的簡稱。顧名思義，何為“片”，“片”指的就是芯片；按照標(biāo)準(zhǔn)的解釋，系統(tǒng)是由多個具有特定功能的集成電路組合在一個芯片上的產(chǎn)品。片上系統(tǒng)，就是將一整個系統(tǒng)設(shè)計制造在一個芯片上。在集成電路領(lǐng)域，一個系統(tǒng)要包含中央處理器（CPU），專用數(shù)字IP，專用模擬IP，片內(nèi)總線通信，片上內(nèi)存（或片外存儲控制接口）等，由CPU通過片內(nèi)總線來控制專用模塊的工作。

我們現(xiàn)在用的手機處理器就是一個最典型的SOC。在手機處理器上，集成有ARM的處理器內(nèi)核，有DSP，ISP，wifi模塊，藍牙模塊，音視頻硬件解碼模塊，相機驅(qū)動模塊，圖線處理器（GPU），DDR控制接口，無線基帶模塊，現(xiàn)在最新的手機處理器上還帶有專用的人工智能算法的加速模塊，用于加速人工智能算法的計算。利用SOC芯片，在加上一些外圍芯片，就可以設(shè)計出一個完整的可用的硬件設(shè)備。

一個典型的soc設(shè)計，包括處理器內(nèi)核設(shè)計，總線設(shè)計，內(nèi)存模塊設(shè)計，專用IP設(shè)計?，F(xiàn)在可以在ARM官網(wǎng)上無需授權(quán)就可以下載到designstart版本的M3內(nèi)核代碼以及各種的外圍專用IP源碼。利用ARM已經(jīng)提供好的內(nèi)核，通過AHB，APB總線，我們可以將我們所需要的各種模塊集成到系統(tǒng)中，定制自己的SOC。只需要利用M3處理器內(nèi)核，用于存儲運行代碼的ROM，用于程序運行時存儲數(shù)據(jù)的RAM，總線矩陣模塊，以及專用外設(shè)模塊，一個最簡單的SOC就可以正常運行。這些模塊之間利用總線和處理器內(nèi)核進行數(shù)據(jù)通信。

在的數(shù)字電路芯片在往單片集成的方向發(fā)展，目標(biāo)就是SOC，將所有的數(shù)字部分集成到一個單一的芯片上，不僅能提高芯片的設(shè)計生產(chǎn)成本，還能提高電路系統(tǒng)的穩(wěn)定度，并降低功耗。由于利用片內(nèi)的高性能的總線設(shè)計，采用最先進的工藝制造，芯片的總體頻率會達到更高最，一提供更高的性能。SOC級別的芯片，現(xiàn)在是ARM一統(tǒng)天下，在手機移動端，在微控制領(lǐng)域的處理器芯片，大多都是基于ARM內(nèi)核來進行開發(fā)設(shè)計的。SOC級別的設(shè)計重在系統(tǒng)性設(shè)計，包括總線傳輸，內(nèi)存接口，各個模塊之間的互聯(lián)，數(shù)據(jù)傳輸通信，各個專用外設(shè)的地址分配和驅(qū)動編寫，總之就是初中于系統(tǒng)級別的各個資源模塊之間的調(diào)配。做SOC還要懂得ARM內(nèi)核的架構(gòu)，能在匯編，C語言層級編寫驅(qū)動，在并使用操作系統(tǒng)來實現(xiàn)更加高級的功能和更加方便的開發(fā)。而專用的數(shù)字IP級別的開發(fā)則側(cè)重于算法的硬件實現(xiàn)，側(cè)重于數(shù)據(jù)的接收處理，側(cè)重于單一的設(shè)計目標(biāo)的實現(xiàn)。設(shè)計好一個專用外設(shè)模塊后，可以將其打包封裝成為一個專用的數(shù)字IP外設(shè)，然后加載到自定制的SOC中去。

對于數(shù)字集成電路來說，數(shù)字電路只是一個基礎(chǔ)工具，我們擁有的是加法器，比價器，編碼，譯碼器等這些基本的建筑材料。根據(jù)要設(shè)計的目標(biāo)的不同，我們用這些基本的建筑材料來構(gòu)建出可以實現(xiàn)不同目標(biāo)的設(shè)計。正如建設(shè)房屋一樣，我們有的基礎(chǔ)材料是磚瓦，水泥，鋼筋，用這些材料，可以建設(shè)出高樓大廈，也可以建設(shè)出精致的獨棟小樓，可以造出公路，也可以建設(shè)河提河壩，可以用來住人，可以用來自存儲貨物，也可以用來建設(shè)觀賞物?？芍^是需求多種多樣，最終根據(jù)需求設(shè)計出來的產(chǎn)品也五花八門。如用數(shù)字電路的基本單元，構(gòu)建一個最簡單的串口數(shù)據(jù)收發(fā)送模塊，構(gòu)建一個專用芯片的時序驅(qū)動模塊，構(gòu)建一個專用計算的加速模塊，例如人工智能計算中的卷積計算加速模塊，可以構(gòu)建處理器，可以構(gòu)建非常復(fù)雜的專用模塊，例如圖像處理模塊，接口協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，內(nèi)存接口驅(qū)動模塊等等等等，數(shù)字電路的設(shè)計百種千樣，各個領(lǐng)域都有各自非常成熟的企業(yè)在做。如華為之通信，ARM之處理器核心，還有非常多的在大眾眼里不熟悉，但在行業(yè)內(nèi)非常出名的企業(yè)，大到處理器芯片，交換機芯片，USB接口芯片，指紋識別芯片，小到一個手機鏡頭的防抖芯片，都有公司做出了成熟的產(chǎn)品。

雖然技術(shù)的發(fā)展雖然說日新月異，但卻是一脈相承的，每一個新的技術(shù)的出現(xiàn)其實就是在舊的技術(shù)的有一點小小上的創(chuàng)新。除非發(fā)送像工業(yè)革命那樣翻天覆地的技術(shù)革新，新的技術(shù)直接取代了舊的技術(shù)，在大多數(shù)時間中，技術(shù)的發(fā)展是平穩(wěn)而又預(yù)期的發(fā)展的。技術(shù)底層的革新是非常緩慢的，也是百年難一遇，可遇而不可求的。在大多時間中的技術(shù)發(fā)展，其實就是對前人做的產(chǎn)品基礎(chǔ)上修修補補，增添功能，做到功能更好，性能更高，僅此而已。所以在個人一生的時間尺度之內(nèi)，技術(shù)的發(fā)展其實是有跡可循的。已有的技術(shù)是基礎(chǔ)，要掌握，新型的技術(shù)是技術(shù)發(fā)展的趨勢，要學(xué)習(xí)。當(dāng)你掌握了你領(lǐng)域的相關(guān)的技術(shù)時，其實很容易向其他技術(shù)去擴展的，不斷學(xué)習(xí)，不斷尋找機遇，幸運會青睞于有理想，并為理想做出行動的人的。