FPGA_ASIC-从知识平台角度认识集成电路
基于FPGA的ASIC设计
基于FPGA的ASIC设计基于FPGA（现场可编程门阵列）的ASIC（应用特定集成电路）设计是一种常见的设计流程，用于快速验证和验证系统级功能和性能。
FPGA 允许工程师根据特定应用的需求来编程硬件，从而提高系统设计的灵活性和可重构性。
在本文中，我们将讨论基于FPGA的ASIC设计的过程以及其优点和挑战。
ASIC设计是一种定制化的设计，旨在完全适应特定应用的要求。
与通用处理器相比，ASIC设计可以提供更高的性能，更低的功耗和更小的面积。
然而，ASIC设计的开发成本和时间通常更高，制造过程也更加复杂。
为了降低设计风险和成本，工程师通常会选择在FPGA平台上验证ASIC设计。
基于FPGA的ASIC设计可分为两个主要阶段：验证和实施。
验证阶段旨在验证设计的功能和性能，并最小化设计错误的概率。
在验证阶段，工程师使用HDL（硬件描述语言）编写设计，并使用仿真工具进行功能和时序仿真。
设计经过全面测试后，可以将其加载到FPGA中进行验证。
实施阶段旨在将验证过的设计转化为ASIC所需的物理布局和电路。
在此阶段，设计需要进行综合和布局布线。
综合是将HDL代码转换为逻辑门级电路的过程。
布局则涉及将逻辑电路映射到硬件资源上，以及确定电路元素的位置。
布线是将电路中的逻辑连接物理化的过程。
基于FPGA的ASIC设计有几个显着的优点。
首先，FPGA可从验证开始，快速迭代验证设计，从而缩短设计周期。
其次，FPGA提供了一种更灵活的开发平台，可以在设计期间进行功能和性能调整。
此外，对于小型项目，FPGA还可以免去制造和测试ASIC的成本和风险。
最后，基于FPGA的ASIC设计还可以为设计团队提供更多的实践经验，为制造期间的问题做好准备。
然而，基于FPGA的ASIC设计也面临一些挑战。
首先，FPGA平台通常比ASIC平台更昂贵，因此对于大项目，可能会导致较高的开发成本。
其次，尽管FPGA可以快速验证和协助设计，但ASIC设计的实施过程可能会很复杂。
集成电路的介绍
集成电路的介绍集成电路是一种采用特殊工艺，将晶体管、电阻、电容等元件集成在硅基片上而形成的具有一定功能的器件，英文缩写为IC，也俗称芯片。
集成电路是六十年代出现的，当时只集成了十几个元器件。
后来集成度越来越高，也有了今天天地P－III。
集成电路根据不同的功能用途分为模拟和数字两大派别，而具体功能更是数不胜数，其应用遍及人类生活的方方面面。
集成电路根据内部的集成度分为大规模中规模小规模三类。
其封装又有许多形式。
“双列直插”和“单列直插”的最为常见。
消费类电子产品中用软封装的IC，精密产品中用贴片封装的IC等。
对于CMOS型IC，特别要注意防止静电击穿IC，最好也不要用未接地的电烙铁焊接。
使用IC也要注意其参数，如工作电压，散热等。
数字IC多用＋5V的工作电压，模拟IC工作电压各异。
集成电路有各种型号，其命名也有一定规律。
一般是由前缀、数字编号、后缀组成。
前缀表示集成电路的生产厂家及类别，后它一般用来表示集成电路的封装形式、版本代号等。
常用的集成电路如小功率音频放大器LM386就因为后缀不同而有许多种。
LM386N美国国家半导体公司的产品，LM代表线性电路，N代表塑料双列直插。
这里有各大IC生产公司的商标及其器件型号前缀。
集成电路型号众多，随着技术的发展，又有更多的功能更强、集成度更高的集成电路涌现，为电子产品的生产制作带来了方便。
在设计制作时，若没有专用的集成电路可以应用，就应该尽量选用应用广泛的通用集成电路，同时考虑集成电路路的价格和制作的复杂度。
在电子制作中，有许多常用的集成电路，如NE555（时基电路）、LM324（四个集成的运算放大器）、TDA2822（双声道小功率放大器）、KD9300（单曲音乐集成电路）、LM317（三端可调稳压器）等。
谈ASIC、FPGA／CPLD的区别与发展
Ｖｏ ．６ １ Ｎ Ｏ６ １ ． ＮＯ．２ ０ Ｖ ０ ７
谈 Ａ Ｉ Ｆ Ｇ ＣＰ Ｄ 的 区别 与发 展 ＳＣ、 Ｐ Ａ／ Ｌ
童世 华 ． 付 蔚
（ 庆 电子 工 程 职 业 学 院 ， 庆 ４ １３ ） 重 重 ０ ３ １
摘
要 ： 用 集 成 电路 、 杂 可 编 程 逻 辑 器 件 ， 场 可 编 程 逻 辑 门 阵 列 在 电子 设 计 领 域 得 到 了 极 大 的 应 专 复 现
使设计修改和产品升级变得十分方便 ．而且极大地提高
了 电子 系 统 的灵 活 性 和 通 用 能 力 。 以 Ｆ Ｇ 为 核 心 的 ＰＡ维普源自讯 第１ ６卷 第 ６ 期
２０ ０ ７年 １ １月
重 庆 职 业技 术 学 院 学报
ｏ ｍ ａ ｆＣｈｏ ｇ ｉ ｇＶ ｏ ａｉ ｎ ｌ＆ Ｔｅ ｈ ｉａ ｎ ｔ ｕ ｅ ｕ ｌｏ ｎ ｑｎ ｃ ｔ ａ ｏ ｃ ｎｃ ｌＩ ｓｉ ｔ ｔ
计是 最为 流行 的方 式之 一 ．它们 的共 性 是都 具有 用户 现 场 可编 程 特性 ． 支 持边 界 扫描 技 术 ． 两 者 在 集成 度 、 都 但
速度 以及 编程 方式 上具 有各 自的特 点 。Ａ Ｉ ＳＣ的特点 是 面
外 ．Ｐ ＤＦ Ｇ Ｃ Ｌ ／Ｐ Ａ还 具 有静态 可重 复编 程 或在 线 动态 重 构
规 模设 计生 产和实 验
２２ Ｐ ． Ｆ Ｇ Ｐ Ｄ 定 义 及 区 别 Ｌ
２１ ＳＩ 义及设 计分 类 ． Ａ Ｃ定 Ａ Ｉ Ａ ｐｉａｉｎＳＩ ｉｃＩｔｒｒｔｄＣｒｕｔ） ＳＣ（ ｐ ｌ ｔ ｒ ｃ ｅｇａｅ ｉ ｉ 即专用 ｃ ｏ ｅｆ ｎ ｉ ｃ ｓ 集成 电路 ．是 指应 特定 用户 要 求和 特定 电 子系统 的需 要 而设 计 、 制造 的集 成 电路 。目前 用 Ｃ Ｌ 复 杂可 编程逻 辑 Ｐ Ｄ（ 器 件 ） Ｆ Ｇ 现场 可 编程 逻辑 门阵列 ） 进 行 Ａ Ｉ 和 Ｐ Ａ（ 来 ＳＣ设
集成电路基础知识概述
集成电路基础知识概述集成电路（Integrated Circuit，简称IC）是指将多个电子元件（如晶体管、电阻、电容等）以一种特定的方式集成在单一的半导体芯片上的电路。
IC的出现和发展对现代电子技术的发展起到了重要的推动作用。
本文将对集成电路的基础知识进行概述，介绍其定义、分类、制造工艺和应用领域。
一、集成电路的定义集成电路是指将多个电子元件集成在单一芯片上，实现特定功能的电路。
它可以分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。
模拟集成电路处理连续信号，数字集成电路处理离散信号。
集成电路的核心是晶体管，其作为开关元件存在于集成电路中，通过控制晶体管的导通与截止实现电路的功能。
二、集成电路的分类1. 按集成度分类根据集成度的不同，集成电路可以分为小规模集成电路（Small Scale Integration，SSI）、中规模集成电路（Medium Scale Integration，MSI）、大规模集成电路（Large Scale Integration，LSI）和超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI）等几种。
随着技术的发展，集成度不断提高，芯片上可容纳的元件数量也不断增加。
2. 按构成元件分类按照集成电路中所使用的主要元件类型，可以将集成电路分为晶体管-电阻-电容（Transistor-Resistor-Capacitor，TRC）型集成电路、金属-氧化物-半导体 (Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)型集成电路、双极性晶体管 (Bipolar Junction Transistor，BJT)型集成电路等。
不同类型的集成电路适用于不同的应用场景。
三、集成电路的制造工艺集成电路的制造工艺主要包括晶圆制备、掩膜生成、光刻、腐蚀、离子注入、金属蒸镀、电火花、封装测试等步骤。
其中，晶圆制备过程是整个制造工艺的基础，它包括晶体生长、切片和研磨抛光等步骤。
FPGA与ASIC：多维度全方位分析对比
FPGA与ASIC：多维度全方位分析对比1. FPGAFPGA 是在 PAL、GAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
它是当今数字系统设计的主要硬件平台，主要特点是完全由用户通过软件进行配置和编程，从而完成某种特定的功能，且可反复擦写。
在修改和升级时，不需要额外改变 PCB 电路板，只是在计算机上修改和更新程序，使硬件设计工作成为软件开发工作，缩短系统设计的周期，提高实现的灵活性并降低成本。
FPGA 的特点：加电时，FPGA 芯片将 EPROM 中的数据读入片内编程 RAM 中，配置完成后，FPGA 进入工作状态。
掉电后，FPGA 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA 能够反复使用。
理论上，FPGA 允许无限次的编程。
FPGA 的编程无须专用的 FPGA 编程器，只需用通用的 EPROM、PROM 编程器即可。
FPGA内部有丰富的触发器和 I／O 引脚，能够快速成品，不需要用户介入芯片的布局布线和工艺问题，而且可以随时改变逻辑功能，使用灵活。
2. ASICASIC 是应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。
用一句话总结就是市场上买不到的芯片。
苹果的 A 系列处理器就是典型的 ASIC。
ASIC 是定制的，具体分为全定制和半定制。
ASIC 的特点：面向特定用户的需求，量身定制，执行速度较快。
ASIC 在批量生产时与通用集成电路相比具有体积小、功耗低、可靠性高、性能高、保密性强、成本低等优点。
ASIC 需要较长的开发周期，风险较大，一旦有问题，就会导致成片全部作废，所以小公司已经玩不起了。
近年来人工智能受到的关注越来越多，许多公司正在积极开发能实现移动端人工智能的硬件，尤其是能够结合未来的物联网应用。
移动端人工智能的实现方法有两大流派：FPGA 流派和 ASIC流派。
集成电路介绍
集成电路介绍集成电路（Integrated Circuit，简称IC）是一种关键的电子元件，它能够将上千个电子元器件集成在一个芯片上。
集成电路可以说是现代电子行业的核心和支柱，它在计算机、通信、家电、医疗等各个领域发挥着重要作用。
本文将为大家介绍集成电路的原理、分类、制造工艺以及应用方向等内容。
首先，让我们来了解一下集成电路的原理。
集成电路的核心是芯片，而芯片由晶体管、电阻、电容等元件组成，它们通过微细的线路连接在一起，并在一个硅片上完成制作。
芯片中的晶体管是最关键的元件，它能实现电流的控制，从而实现逻辑电路的功能。
通过不同的电流组合，集成电路可以完成各种计算和控制任务，使得我们的设备具备智能、高效的性能。
根据功能的不同，集成电路可以分为数字集成电路和模拟集成电路两类。
数字集成电路主要用于逻辑运算、数字信号处理等领域，它们能够高效地处理大量的二进制数据。
而模拟集成电路则可以实现信号的放大、滤波、混频等功能，广泛应用于音频、视频等领域。
此外，还有混合信号集成电路，它结合了数字和模拟电路的特点，可以处理数字和模拟信号的混合输入输出，使得系统的性能更加出色。
集成电路的制造工艺也是非常重要的。
目前最常见的制造工艺是CMOS工艺（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）。
CMOS工艺利用硅片作为基底，通过一系列工序进行晶体管的制作。
该工艺因为功耗低、集成度高等优点，被广泛应用于各个领域。
除此之外，还有Bipolar、BICMOS等制造工艺，它们在特定的应用场景下具有独特的优势。
集成电路的应用范围非常广泛。
在计算机领域，集成电路是CPU、内存等重要组成部分，它们决定了计算机的运算速度和存储能力。
在通信领域，集成电路被广泛应用于无线通信、卫星通信等系统中，实现了快速、稳定的数据传输。
在家电领域，集成电路使得电视、洗衣机、空调等设备具备了智能控制和效能调节功能。
在医疗领域，集成电路的应用包括医疗器械、医学影像设备等，为医生提供了更加精准、高效的诊疗手段。
基于FPGA的ASIC设计
基于FPGA的ASIC设计FPGA是一种可编程逻辑芯片，可以根据应用要求重新配置其内部连接结构和逻辑功能，实现不同的数字电路设计。
而ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）则是专门为特定应用设计的定制化芯片，其具有更高的性能、更低的功耗和更小的尺寸。
ASIC设计流程包括以下几个主要步骤：1.设计规格和功能要求：根据应用的需求，明确芯片的规格和功能要求，包括输入输出接口、性能指标、功耗要求等。
2. RTL设计：在硬件描述语言（如VHDL或Verilog）中编写RTL （Register Transfer Level）代码，描述芯片的逻辑功能和数据流。
这些代码包括组合逻辑电路、时序逻辑电路和控制电路。
3.高级综合：对RTL代码进行综合，将其转化为逻辑综合器可以理解的结构，生成逻辑门级电路网表。
4.驱动树和时序约束：根据ASIC设计规范，为芯片设计驱动树和时序约束。
驱动树定义了输入引脚到逻辑元件的路径，时序约束定义了逻辑元件之间的时序关系。
5.逻辑布局和布线：根据门级电路网表和驱动树，进行逻辑布局和布线优化。
逻辑布局将逻辑元件放置在芯片的物理位置，布线则将逻辑元件按照要求进行连线。
这个过程通常使用专业的布局布线工具进行。
6.物理验证：进行物理验证，通过电磁兼容性（EMC）和电磁干扰（EMI）分析，确保设计符合电气规范和可靠性要求。
7.制造文件生成：生成用于制造ASIC芯片的制造文件，包括掩模数据、掩模层等。
8.芯片制造：根据制造文件，利用先进的制造工艺将ASIC芯片制造出来。
9.仿真和验证：对制造出的ASIC芯片进行功能仿真和验证，确保芯片的功能与设计要求一致。
相比于FPGA设计，基于FPGA的ASIC设计具有一些优势和挑战：优势：1.性能：ASIC设计可以在芯片层面进行优化，实现更高的性能和更低的功耗，而FPGA设计受到资源限制，无法实现如此高性能的设计。
FPGA和ASIC比较谈
ASIC与FPGA比较谈专用集成电路(ASIC)采用硬接线的固定模式，而现场可编程门阵列(FPGA)则采用可配置芯片的方法，二者差别迥异。
可编程器件是目前的新生力量，混合技术也将在未来发挥作用。
与其他技术一样，有关ASIC技术过时的报道是不成熟的。
新的ASIC产品的数目可能有大幅度下降，但其销售额仍然相当高，尤其是在亚太区。
此外，采用混合式方法，如结构化ASIC，也为该技术注入了新的活力。
同时，FPGA(和其他可编程逻辑器件)也在发挥作用，赢得了重要的大众市场，并从低端应用不断向上发展。
每种技术都有它的支持者。
一般来说，ASIC用于大型项目，而对于需要快速投放市场且支持远程升级的小型项目，FPGA则更为适合。
ASIC和FPGA供应商对这两种技术孰优孰劣不能达成共识，对适合的应用领域也持不同看法。
上述技术及其衍生技术将可能在今后一段时间内长期存在。
Altera Corp的高密度FPGA高级总监David Greenfield指出，FPGA技术的主要优势仍是产品投放市场的时间较短。
他说：“在目前新增的设计方案中，对FPGA的选择倾向超过ASIC。
ASIC技术有其价值所在，它的性能、密度和单位容量都相当出色，不过随着FPGA的发展和ASIC的开发成本不断上升，将会导致ASIC的市场份额不断缩小。
”在上述趋势之后发挥作用的，正是FPGA在性能、密度和制造成本上的发展。
Greenfield指出，高性能曾经是ASIC超出FPGA的优势，当时FPGA在性能和功能上都较逊色。
随着芯片的制造工艺从180nm发展到130nm甚至90nm，上述情况发生了很大变化，现在FPGA的性能已经能够满足大多数应用的需要（要求最高的应用除外），而密度水平则达到逻辑设计的80%。
他解释说：“某些系统设计师也认识到，ASIC的市场领域在于极高性能/密度的产品，这种市场领域风险非常大。
NRE （非重复性工程设计）和开发成本对这种设备而言是最高的。
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〃工具的泛性知识行为集成：
例：八音盒、自鸣钟、与自动钢琴
〃集成电路诞生前的工具状况：
止步于泛性知识集成与一维知识行为的泛性集成
7
2．集成电路的归一化技术
集两个诺贝尔物理学奖于一身 半导体、晶体管的数字归一化量子
2.1归一化空间量子：
半导体材料中分布的晶体管颗粒
2.2归一化时间量子：
晶体管开关状态的时间进程
4
1．从工具发展看集成电路
1.1人类工具的知识集成本质
〃人类工具的知识成果集成，没有无知识的工具
例：刀具、杆秤、弹簧秤中的知识成果
〃工具的知识集成发展史
不断的知识集成，从石刀到现代化刀具
〃人们对工具中的知识视而不见
先哲阿尔文·托夫勒的困惑： 28年前《第3次浪潮》提出了第3次浪潮（知识经济） 2006年在《财富的革命》承认对知识经济一无所知 原因：两种知识形态不可靠。找不到真实中靠的知识
智力，即知识行为。自动化是使工具具有知识行为能力 例：八音盒、自鸣钟、自动水车、自动磨房
〃自动化工具的尝试与失败：没有归一化智力内核
6
1．从人类工具看集成电路
1.3泛性的知识与知识行为集成
〃工具的泛性集成概念：
没有统一的技术内涵、统一的结构、统一的形式
〃工具的泛性知识集成：
例：弹簧秤与杆秤，算盘与手摇计算机
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5．从知识平台看集成电路
知识平台是人类工具的最高境界 5.1什么是知识平台？ 5.2知识平台的基本条件 5.3知识平台与知识经济
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5．从知识平台看集成电路
5.1 什么是知识平台？
〃知识平台定义： “具有归一化知识成果与知识行为集成的工具”
衡量标准：“使用知识成果时，不必了解知识成果，又 能自动实现知识成果应用” 大脑中的知识不行，书本中的知识不行， 只有半导体集成电路有知识平台能力。
一维知识行为集成：普通半导体集成电路 多维知识行为集成：微处理器
〃半导体集成电路是典型的知识平台
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5．从知识平台看集成电路
5.3 知识平台与知识经济 〃现代计算机产业革命催生了知识经济 〃计算机产业革命本质上是半导体集成电路的知识 平台革命 〃知识经济是以知识平台为中心的现代市场经济 〃用知识平台观念可以诠释知识经济时代的诸多产 业现象、经济现象、社会现象。
〃一般工具有知识成果、不必了解知识成果，但无 知识行为能力，不能自动实现知识成果应用 〃半导体集成电路都具备上述条件。
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5．从知识平台看集成电路
5.2 知识平台的基本条件
〃物化形态的必要条件
可以拿来即可应用的工具，软、硬件工具。
〃归一化集成的应用条件
所有知识成果，都有同样的表现材料、形态与结构
〃知识行为集成的充分条件
5
1．从人工具发展看集成电路
1.2 从知识集成到知识行为集成
〃工具知识的集成态表现形式：
表现为特定的材料、结构、形态、能力等的物化状态。
〃人类工具知识集成发展史：
工具的发展史是人类知识成果积累与传承的发展史。 从原始工具、手工工具到机械化工具， 18世纪产业革命是的工具的归一化动力机械内核革命
〃自动化工具的知识行为集成尝试：
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4．微处理器的智力集成
微处理器是计算机产业革命的智力内核 4.1智力的知识行为本质 4.2微处理器的智力仿真 4.3微处理器的亚当与夏娃
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4．微处理器的智力集成
4.1智力的知识行为本质 〃人类智力是一种复杂的多维知识行为 〃人类智力的三个基本要素：
多维进程选择、人际交互、中断应急处理。
4.2微处理器的智力仿真
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从知识平台角度认识集成电路
参考文献
［1］何立民，“从知识平台角度重新认识集成路”， 《单片机与嵌入式系统应用》2009年第3期 ［2］何立民，“集成电路知识平台与山寨产业现象”， 《单片机与嵌入式系统应用》2009年第1期 ［3］何立民， “微处理器智力内核使一切成为可能”， 《电子产品世界》09年第1期 ［4］何立民，“嵌入式系统的产业模式” ， 《单片机与嵌入式系统应用》 2006年第1期 ［5］何立民，“从嵌入式系统看现代计算机产业革命” ， 《单片机与嵌入式系统应用》2008年第1期
微处理器在 CPU、指令系统、中断系统、总线系统 基础上的 三要素仿真
〃指令系统的多维进程设置 〃总线系统的人机交互通道 〃中断系统的紧急应对能力 〃CPU的分析处理指挥能力
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4．微处理器的智力集成
4.3 微处理器的亚当与夏娃
上帝造人，只造亚当与夏娃，让亚当、夏娃去繁衍人类。 微处理器只造智力平台与智力内核。让智力平台与智力内 核构建所有的智能化工具。 〃智力平台：通用计算机， 通用计算机+应用软件的智力形式， 如深蓝国际象棋大师、所有软件工具 〃智力内核；嵌入式处理器 微控制器基础上的智能化电子系统 〃智力平台与智力内核囊括了当今所有的智化工具
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从知识平台角度认识集成电路
谢谢
19
2.3归一化数字量子：
“0”、“1”的符号化量子
8
3．集成电路的知识集成
半导体集成电路的一般特点 3.1 归一化的量子集成 3.2 专家知识成果集成 3.3 一维的知识行为集成
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3．集成电路的知识集成
3.1 归一化的量子集成
集成电路中所有电路成果都表现为相同的晶体管颗粒、 晶体管的开关状态、“0”、“1”的数字化符号。
2
从知识平台角度认识集成电路
1．从工具发展看集成电路 2．集成电路的归一化技术 3．集成电路的知识集成 4．微处理器的智力集成 5．从知识平台看集成电路
3
1．从工具发展看集成电路
集成电路是工具 在认识集成电路前先认识工具 1.1 人类工具的知识集成本质 1.2 从知识集成到知识行为集成 1.3 泛性的知识与知识行为集成
从知识平台角度认识集成电路
-----知识平台上SOC的高速发展
北京090328 北京航空航天大学 《单片机与嵌入式系统应用》杂志社 何立民
1
从知识平台角度认识集成电路
20世纪最神奇的技术是半导体集成电路 神奇的技术在于数字归一化的时空量子 集成电路基础促进了计算机的产业事命 现代计算机的产业革命催生了知识经济 人类的第3种知识形态与第2种智力状态
3.2 专家知识成果集成
从门电路、计数器、单元电路、接口电路、系统电路， 都是电路专家知识成果。60年代16位ADC是国家级科研 项目，如今在市场上随意买到，且傻瓜化使用。
3.3 一维的知识行为集成
上电后能按原设定功能自主运行。 所有集成电路都是具有一维知识行为能力。 一维知识行为的局限性：止步于自动化。