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芯片的内部结构是怎样的?与芯片相比,芯片组的作用及功能是什么?

来源:华强商城 发布时间:2022-06-06

摘要: 芯片是什么?通常所说的“芯片”指内含集成电路的硅片,体积很小,常常是计算机或其他电子设备的一部分。芯片(chip)或称微电路(microcircuit)、微芯片(microchip)、集成电路(英语:integrated circuit, IC),在电子学中是一种把电路(主要包括半导体设备,也包括被动组件等)小型化的方式,并通常制造在半导体晶圆表面上。

芯片是什么?


通常所说的“芯片”指内含集成电路的硅片,体积很小,常常是计算机或其他电子设备的一部分。芯片(chip)或称微电路(microcircuit)、微芯片(microchip)、集成电路(英语:integrated circuit, IC),在电子学中是一种把电路(主要包括半导体设备,也包括被动组件等)小型化的方式,并通常制造在半导体晶圆表面上。前述将电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜(thin-film)集成电路。另有一种厚膜(thick-film)混成集成电路(hybrid integrated circuit)是由独立半导体设备和被动组件,集成到衬底或线路板所构成的小型化电路。

                                             


芯片的内部结构是怎样的?


系统级

  以手机为例,整个手机是一个复杂的电路系统,它可以玩游戏、可以打电话、可以听音乐等等,它的内部结构是由多个半导体芯片以及电阻、电感、电容相互连接组成的,称为系统级。(当然,随着技术的发展,将一整个系统做在一个芯片上的技术也已经出现多年——SoC技术)


模块级

  在整个系统中分为很多功能模块各司其职。有的管理电源,有的负责通信,有的负责显示,有的负责发声,有的负责统领全局的计算,等等。我们称为模块级。这里面每一个模块都是一个宏大的领域,都聚集着无数人类智慧的结晶。

模块级

  模块级


寄存器传输级(RTL)

  每个模块是以占整个系统较大比例的数字电路模块(它专门负责进行逻辑运算,处理的电信号都是离散的0和1)为例。它是由寄存器和组合逻辑电路组成的。

  寄存器是一个能够暂时存储逻辑值的电路结构,它需要一个时钟信号来控制逻辑值存储的时间长短。实际应用中,需要时钟来衡量时间长短,电路中也需要时钟信号来统筹安排。时钟信号是一个周期稳定的矩形波。现实中秒钟动一下是一个基本时间尺度,电路中矩形波震荡一个周期是它们世界的一个时间尺度。电路元件们根据这个时间尺度相应地做出动作,履行义务。

  组合逻辑是由很多“与(AND)、或(OR)、非(NOT)”逻辑门构成的组合。

  一个复杂的功能模块正是由这许许多多的寄存器和组合逻辑组成的。把这一层级叫做寄存器传输级。


门级

  寄存器传输级中的寄存器其实也是由与或非逻辑构成的,把它再细分为与、或、非逻辑,便到达了门级(它们就像一扇扇门一样,阻挡/允许电信号的进出,因而得名)。


晶体管级

  无论是数字电路还是模拟电路,到最底层都是晶体管级了。所有的逻辑门(与、或、非、与非、或非、异或、同或等等)都是由一个个晶体管构成的。因此集成电路从宏观到微观,达到最底层,满眼望去其实全是晶体管以及连接它们的导线。

  双极性晶体管(BJT)在早期的时候用的比较多,俗称三极管。它连上电阻、电源、电容,本身就具有放大信号的作用。像堆积木一样,可以用它构成各种各样的电路,比如开关、电压/电流源电路、上面提到的逻辑门电路、滤波器、比较器、加法器甚至积分器等等。由BJT构建的电路我们称为TTL(Transistor-TransistorLogic)电路。BJT的电路符号长这个样子:

BJT电路符号

  BJT电路符号

  但是后来金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的出现,以优良的电学特性、超低的功耗横扫IC领域。除了模拟电路中BJT还有身影外,基本上现在的集成电路都是由MOS管组成的了。同样的,由它也可以搭起来成千上万种电路。而且它本身也可以经过适当连接用来作电阻、电容等基本电路元件。MOSFET的电路符号如下:

MOSFET电路符号

  MOSFET电路符号

  宗上所述,在实际工业生产中,芯片的制造,实际上就是成千上万个晶体管的制造过程。只不过现实中制造芯片的层级顺序正好反过来了,是从最底层的晶体管开始一层层向上搭建。

  也就是说,按照“晶体管-》芯片-》电路板”的顺序,我们最终可以得到电子产品的核心部件——电路板。


芯片组是什么?


芯片组(Chipset)是一组共同工作的集成电路“芯片”。它负责将计算机的核心——微处理器和机器的其它部分相连接,是决定主板级别的重要部件。在计算机领域,“芯片组”术语通常是特指计算机主板或扩展卡上的芯片。当讨论基于英特尔的奔腾级处理器的个人计算机时,芯片组一词通常指主板上两个主要的芯片:北桥和南桥。

芯片组

芯片组的制造商通常也是独立于主板的制造商。比如PC主板芯片组包括NVIDIA的nForce芯片组和威盛电子公司的KT880,都是为AMD处理器开发的,或英特尔许多芯片组。


芯片组的作用功能?


芯片组是主板的核心组成部分,主板芯片组几乎决定着主板的全部功能,按照在主板上的排列位置的不同,通常分为北桥芯片和南桥芯片。

北桥芯片

提供对CPU类型和主频的支持、系统高速缓存的支持、主板的系统总线频率、内存管理(内存类型、容量和性能)、显卡插槽规格,ISA/PCI/AGP插槽、ECC纠错等支持;

南桥芯片

提供了对I/O的支持,提供对KBC(键盘控制器)、RTC(实时时钟控制器)、USB(通用串行总线)、Ultra DMA/33(66)EIDE数据传输方式和ACPI(高级能源管理)等的支持,以及决定扩展槽的种类与数量、扩展接口的类型和数量;

高度集成的芯片组

大大的提高了系统芯片的可靠性,减少了故障,降低了生产成本。例如有些纳入3D加速显示(集成显示芯片)、AC'97声音解码等功能的芯片组还决定着计算机系统的显示性能和音频播放性能等。

芯片组的识别

这个也非常容易,以Intel440BX芯片组为例,它的北桥芯片是Intel 82443BX芯片,通常在主板上靠近CPU插槽的位置,由于芯片的发热量较高,在这块芯片上装有散热片。南桥芯片在靠近ISA和PCI槽的位置,芯片的名称为Intel 82371EB。其他芯片组的排列位置基本相同。对于不同的芯片组,在性能上的表现也存在差距。


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