关于芯片设计的背景知识

2020-03-09 14:00:04 来源: 半导体行业观察

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芯片对应的英文单词是chip，仔细推敲，这个翻译完全符合“信，达，雅”标准。“ 芯 ”原意是草木的中心部分，引申为事物的中心部分，“ 片 ”的意思是平而薄的物体，芯片组合在一起表示电路板上的重要元件chip。

电子技术分为 模拟电路 和 数字电路 ，国内模拟电路技术发展较早且很成熟，数字电路技术发展较晚，21世纪以来，数字电路技术迅速发展，本文主要讲数字电路技术的背景知识。

关于信号可以分为 物理信号 ， 模拟信号 ， 数字信号 。人类可以感受到物理信号，例如能听到声音是声波进入耳朵（其实生物感知过程非常复杂，也涉及到电信号在细胞中传递，这里不深究），计算机只能处理电信号，物理信号通过传感器可以变成电信号，这时的电信号是模拟信号，其信号大小随时间连续变化，经过A/D转换器（Analog/Digital）就可以转为数字信号。数字信号在计算机中被处理后，经过D/A转换器转换为模拟信号，模拟信号经过执行器重新转为物理信号，就可以被人类感知。

A/D转换器包括采样（Sampling）和量化（Quantization），采样是在时间上离散化，量化是在幅度上离散化，数字信号只取有限个值，再将有限个值转化成二进制，被计算机识别。

学习数字电路之前需要复习下 逻辑代数 ，也叫 布尔代数 。

逻辑代数 是一种用于描述客观事物逻辑关系的数学方法，由英国科学家乔治.布尔于19世纪中叶提出，逻辑代数拥有一整套运算规则，包括公理，定理和定律。20世纪30年代，MIT的香农在硕士毕业论文中将布尔代数应用于数字电路领域，从而奠定了逻辑代数成为数字电路设计的理论基础。

大神布尔

在逻辑代数中，最基本的三种运算是 与，或，非 ，就像普通代数运算中的加，减，乘，除一样。

与：如果A和B都为真，则结果为真

或：如果A和B其中任一为真，则结果为真

非：如果输入为真，那么输出为假，反之亦然

相对应逻辑代数，数字电路中有三种基本门电路： 与门，或门，非门 。由于计算机只识别二进制，在数字电路中我们只取0，1，对于正逻辑体制，0代表低电平，1代表高电平，其中电压在0~1V范围称为低电平，3~5V范围称为高电平。数字电路的1，0对应逻辑上的真与假，所以数字电路也叫做 逻辑电路 ，可以使用逻辑代数对电路进行设计，分析和优化。

数字电平对于模拟电平具备更大的噪声容限，信号在传输过程中，不可避免会引入噪声，对于模拟信号，如果引入噪声，很难完全将噪声消除，而对于数字信号，即使电压偏差一点点，只要在3~5V之间，就可以认为是1，完全没有失真。

了解完背景知识，下面介绍一些理论知识。

逻辑运算 ：是通过一系列既定的逻辑规则，对一些逻辑命题进行恒等变形的研究。

基本逻辑 ：本质上是布尔运算的运算符，可类比为算数运算中的加减乘除等，它指示了对逻辑变量的运算规则，有 三种简单逻辑 ， 两种特殊逻辑 和 若干复合逻辑 。

真值表 ：描述了对于所有可能的自变量取值，因变量的值的情况。它的存在是建立在布尔运算中变量的可能值很少，可以穷举的前提。

逻辑图 ：用示意图的形式表示逻辑运算关系，是抽象化的电路，直观化的算式。

逻辑运算的优先级是：非>与>或，无论逻辑自变量的定义域还是逻辑函数的值域都只能是0和1，而不能是其他的取值。

下面是分别介绍基本门电路和复合门电路：