Программируемые логические структуры

В последнее время все более широкое распространение получают различные программируемые логические структуры, которые можно разделить на программируемые логические матрицы (ПЛМ), программируемые матрицы логики (ПМЛ) и базовые матричные кристаллы (БМК). Причем ПЛМ и ПМЛ являются наиболее простыми схемами с программируемой структурой. Дальнейшее развитие этого направления привело к разработке БМК, уровень интеграции которых достиг миллионов вентилей на кристалле. Кроме того, в последние годы появился новый тип логических микросхем – перепрограммируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Эти микросхемы обеспечивают разработчику цифровых устройств все преимущества использования стандартного БМК, добавляя при этом гибкость и значительное сокращение времени проектирования. Особенностями ПЛИС являются: значительный объем ресурсов (до 10 млн. вентилей на кристалл); высокая производительность (до 420 МГц); высокая гибкость архитектуры с множеством системных особенностей (внутреннее ОЗУ, логика ускоренного переноса, встроенные блоки умножителей, наличие порядка ста тысяч триггеров и сдвиговых регистров); низкое энергопотребление; возможность использования развитых и недорогих средств проектирования и др.

Программируемая логическая матрица характеризуется простотой получения необходимых функций. Основой ПЛМ служат последовательно включенные программируемые матрицы элементов И и ИЛИ (рисунок 28).

Рисунок 28 – Базовая структура ПЛМ

В ПЛМ также входят блоки входных и выходных буферных каскадов (БВх и БВых). Входные буферы преобразуют однофазные входные сигналы в парафазные и формируют сигналы необходимой мощности для матрицы элементов И. Выходные буферы обеспечивают необходимую нагрузочную способность выходов, разрешают или запрещают выход ПЛМ на внешние шины с помощью сигнала OE, а нередко выполняют и более сложные действия. Выпускаются ПЛМ на основе как биполярной, так и МОП-технологии.

Основными параметрами ПЛМ являются число входов m, число термов l и число выходов n. Под термом понимается конъюнкция, связывающая входные аргументы, представленные в прямой или инверсной формах.

Схема ПЛМ на вентильном уровне показана на рисунке 29. Крестики в пересечениях горизонтальных и вертикальных линий обозначают программируемые точки связей (ПТС).

В первой ситуации незапрограммированная ПЛМ имеет соединения во всех пересечениях, а при ее программировании часть соединений удаляется. Как видно из схемы, в этом случае в исходном состоянии все термы и функции независимо от входных переменных имеют нулевые значения, так как на входы схем И подаются одновременно прямые и инверсные значения аргументов, а . Элементами связей в матрице И служат диоды, соединяющие горизонтальные и вертикальные шины, как показано на рисунке 30 а, изображающем цепи выработки терма t_i.

Рисунок 29 – Схема ПЛМ на вентильном уровне

Рисунок 30 – ПЛМ схемотехники ТТЛШ. Элементы связей в матрицах И (а) и ИЛИ (б)

До программирования все перемычки целы и диоды размещены во всех узлах матрицы И. При программировании в схеме оставляют только необходимые элементы связи, а ненужные устраняются пережиганием перемычек. Высокий уровень на выходе конъюнктора (рисунок 29) появится при наличии высоких напряжений на всех входах (все диоды заперты). Если же хотя бы на одном входе низкий уровень напряжения, то фиксируется низкий уровень напряжения (диод открыт).

Элементами связи в матрице ИЛИ служат транзисторы (рисунок 30 б), включенные по схеме эмиттерного повторителя относительно линий термов и образующие схему ИЛИ относительно горизонтальной линии выхода ПЛМ. В данном случае схема ИЛИ реализована за счет параллельного соединения эмиттерных повторителей.

При изображении запрограммированных матриц наличие элементов связей (целые перемычки) отмечается точкой в соответствующем узле.

Во второй ситуации все соединения отсутствуют, входные сигналы в схему не поступают. Значения термов и функций определяются внутренними цепями ПЛМ, как правило, они единичны. При программировании формируются необходимые термы, из которых и составляются требуемые функции.

Переменные x₁, x₂, …, x_m подаются через БВх (рисунок 28) на входы элементов И. В матрице И формируются термы, число которых равно числу конъюнкторов, т.е. числу выходов матрицы И. Далее термы подаются на входы матрицы ИЛИ, т.е. на входы дизъюнкторов, формирующих выходные функции. Число дизъюнкторов равно числу вырабатываемых функций n.

Таким образом, ПЛМ реализует ДНФ воспроизводимых функций. ПЛМ способна реализовать систему n логических функций от m аргументов, содержащую не более l термов, т.е. представляет собой усеченное ПЗУ.

Например, однократно программируемая БИС ПЛМ К556РТ1 выполнена по схемотехнике ТТЛШ. Эта микросхема реализует восемь функций от шестнадцати переменных, общее число конъюнкций (термов) для всех функций не должно превышать 48.

В программируемых матрицах логики по сравнению с ПЛМ программируются только термы, т.е. конъюнкции переменных для СДНФ. Элементы ИЛИ зафиксированы и имеют, как правило, семь-восемь входов.

Дата добавления: 2014-01-04