Цифровая электроника

Программируемые логические интегральные схемы

Принципы структурной организации программируемых логических интегральных схем

Из рассмотренного в четвертой теме принципа синтеза КЦУ, а в последствии и ПЦУ, следует, что любая система ФАЛ этих устройств может быть задана в виде ДНФ, т.е. в виде универсальной структурной записи с конкретизацией в каждом случае отдельных конституент единицы. Из сказанного правомерно допустить возможность создания универсальной элементной базы, реализующей произвольную систему ФАЛ цифрового устройства путем задания определенных внутренних связей между стандартными базовыми логическими элементами И и ИЛИ. Причем целесообразным является исполнение подобных универсальных элементов в виде отдельных интегральных схем.

Для задания внутренних связей между базовыми логическими элементами, позволяющих реализовывать необходимые ФАЛ, требуется осуществить предварительную настройку таких интегральных схем. Подобный процесс настройки носит название программирования. Поэтому, такие интегральные схемы получили название программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Обобщенная структурная схема ПЛИС приведена на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Обобщенная структурная схема ПЛИС.

Отличие структуры ПЛИС от других цифровых микросхем заключается в наличии настраиваемых программным путем в общем случае множества элементов И и ИЛИ, называемых соответственно матрицами И и ИЛИ. Настройка этих матриц на выполнение конкретной ФАЛ осуществляется путем подачи на микросхему ПЛИС специальных сигналов программирования, подобных сигналам программирования ПЗУ. В результате реализуются внутренние связи в матрицах, структурно задающие соединения отдельных элементов И и ИЛИ в соответствие с описывающей работу цифрового устройства системе ФАЛ. Входные и выходные переменные подаются на ПЛИС и снимаются с нее через буферные схемы, которые, как правило, кроме состояния логического нуля или логической единицы, могут принимать пассивное Z-состояние.

Первые ПЛИС в качестве программируемых содержали обычно обе матрицы — И и ИЛИ. Такие ПЛИС получили название программируемых логических матриц (ПЛМ), или в англоязычной аббревиатуре – PLA (Programmable Logic Array). Фрагмент структуры ПЛМ, отражающий только программируемые матрицы И и ИЛИ, представлен на рис. 8.2.

В структурах ПЛИС косой линией принято выделять наличие электрического соединения пересекаемых шин. Если косая линия в пересечении отсутствует, это означает отсутствие электрической связи в пересекаемых шинах. Таким образом, изображенные на рис. 8.2 программируемые матрицы обладают электрическим контактом во всех пересечениях. Наличие контактов во всех пересечениях в матрицах характерно для новых, незапрограммированных ПЛИС. Также как и в случае с ПЗУ, программирование ПЛИС осуществляется разрушением электрического контакта в необходимых пересечениях, выполненного в виде плавкой перемычки или транзисторной МДП-структуры. В зависимости от технической реализации этого контакта ПЛИС бывают прожигаемые и перепрограммируемые.

Рис. 8.2. Фрагмент структурной схемы ПЛМ.

Поскольку конституенты единицы ФАЛ в виде ДНФ образуются как прямыми значениями входных переменных, так и инверсными, то и в структуре ПЛИС предусмотрено наличие входных инверторов DD1. Прямые и инверсные значения всех n входных переменных образуют столбцы программируемой матрицы И. Строки этой матрицы образуются n-входовыми элементами И DD2. В общем случае, если предположить, что выходная функция F на всех наборах входных переменных принимает единичные значения, то таких элементов И по числу конституент единицы должно быть k=2ⁿ. Синтез какой-либо схемы для такого случая является нецелесообразным, поскольку функция с единичными значениями на всех наборах является константой единицы и от входных переменных не зависит. В практических случаях выходная функция принимает единичные значения только на определенных наборах, а часто и вовсе является частично определенной. Поэтому ПЛИС содержат обычно количество k элементов И меньшее, чем 2ⁿ. Выходы этих элементов образуют k столбцов программируемой матрицы ИЛИ, а их выходные значения соответствуют конституентам единицы функции F. Для возможности реализации системы ФАЛ из нескольких различных выходных функций, матрица ИЛИ содержит m k-входовых элементов ИЛИ DD3. Каждый из этих элементов объединяет логическим сложением те конституенты единицы, которые входят в состав ДНФ реализуемой выходной функции F.

Недостатком структуры ПЛМ является слабое использование ресурсов программируемой матрицы ИЛИ. Поэтому была предложена более простая, но тем не менее, более эффективная архитектура программируемой матричной логики (ПМЛ). В английской терминологии ее обозначение записывается как Programmable Array Logic (PAL). Суть этой архитектуры заключается в использовании в качестве программируемой только матрицы И. Матрица ИЛИ является фиксированной. Пример упрощенной структуры ПМЛ представлен на рис. 8.3. На рисунке не раскрывается структура программируемой матрицы И по причине ее аналогии с рассмотренной матрицей И в структуре ПЛМ. Входные переменные, также как и в ПЛМ, в ПМЛ подаются в прямом и инверсном виде. Из рисунка видно, что входы элементов ИЛИ DD3 являются не коммутируемыми. Таким образом, на каждый вход текущего элемента ИЛИ подается технологически определенный выход элемента И программируемой матрицы И.

Кроме элементов ИЛИ, в изображенной на рисунке структуре ПМЛ содержатся буферные элементы DD4, позволяющие управляющим сигналом на входах E этих элементов, переводить соответствующие выходы F ПЛИС в высокоимедансное состояние. В этом случае эти выходы могут выполнять функции входов программируемой матрицы И. С этой целью выходы буферных элементов DD4 соединены с матрицей И напрямую и через инверторы DD5, т.е. организованы обратные связи. Если выход текущего элемента DD4 находится в активном состоянии, то через цепи обратной связи значение выходной функции F подается обратно в матрицу И. Это позволяет реализовывать схемы не только КЦУ, но и ПЦУ. Элементы DD3 и DD4 ПМЛ образуют так называемую макроячейку.

Рис. 8.3. Структурная схема ПМЛ.

Приведенная на рис. 8..3. структура характерна для классических ПМЛ. В настоящее время большее распространение получили интегральные схемы универсальной ПМЛ, принципиально отличающейся от классической только структурой макроячеек. Макроячейка универсальной ПМЛ содержит элемент Исключающее ИЛИ, один вход которого программно связан с нулевым потенциалом общего провода. Нарушение этой связи позволяет инвертировать значения выходных функций F, меняя, таким образом, логические уровни выходных сигналов. Кроме того, макроячейки универсальной ПМЛ содержат обычно D-триггеры-защелки, позволяющие синхронизировать выдачу информации на выходы и предоставляющие более широкие возможности при реализации ПЦУ.

Другим представителем ПЛИС, интенсивно развивающимся в настоящее время, особенно за рубежом, является комплексная ПЛИС. В английской терминологии она обозначается как CPLD (Complex Programmable Logic Devices). Такие ПЛИС содержат несколько логических блоков, каждый из которых представляет универсальную ПМЛ. Входы и выходы всех логических блоков объединяются в единую структуру программируемой коммутационной матрицей.