- •Глава7 программируемая логика и ее применение в микропроцессорных системах
- •7.1. Общие сведения, классификация
- •7.1.1. Уровень интеграции интегральных схем (ис) и его влияние на качество цифровой аппаратуры и ее проектирование.
- •7. 1. 4. Области применения микросхем с программируемой логикой
- •7.2. Первые поколениямикросхем с программируемой структурой
- •7.2.1. Программируемые логические матрицы и программируемая матричная логика
- •7.2.2. Базовые матричные кристаллы
- •7.3. Типичные фрагменты схемотехники ис пл. Общие свойства ис пл
- •7.3.1. Типичные схемотехнические решения
- •7.3.2. Свойства ис пл, важные для их применения в составе систем
- •7.4. Fpga-программируемые пользователем вентильные матрицы
- •7.4.1. Архитектура и блоки fpga
- •7.4.2. Популярные fpga фирмы «xilinx»
- •7.5. Cpld - сложные программируемые логические устройства
- •7.5.1. Архитектура и блоки cpld
- •7.5.2. Популярные cpld фирмы «altera»
- •7.6. Сбис пл комбинированной архитектуры
- •7.6.1. Общие сведения
- •7.6.2. Сбис пл комбинированной архитектуры flex10k
- •7.7. Сбис программируемой логики типа «система на кристалле»
- •7.7.1. Общие сведения
- •7.7.2. Сбис пл с конфигурируемостью всех областей кристалла
- •7.7.3. Сбис пл класса «система на кристалле» с блочной архитектурой
- •7.8. Конфигурирование бис/сбис программируемой логики
- •7.9. Методика оценки параметров ис пл
- •7.9.1. Вводные замечания
- •7.9.2. Об оценке сложности микросхем программируемой логики
- •7.9.3. Об оценке быстродействия микросхем программируемой логики
- •7.9.4. Параметры популярных семейств микросхем программируемой логики
- •7.10. Аналоговые программируемые микросхемы
- •7.10.1 Общие сведения
- •7.10.2. Практические разработки
7.2. Первые поколениямикросхем с программируемой структурой
7.2.1. Программируемые логические матрицы и программируемая матричная логика
Первыми представителями микросхем с программируемыми структурами явились ПЛМ (программируемые логические матрицы), ПМЛ (программируемая матричная логика) и БМК (базовые матричные кристаллы). «Предками» БИС/СБИС программируемой логики следующих поколений в первую очередь можно считать ПМЛ и БМК.
Основу типичных ПМЛ, называемых в английской терминологии PAL (Programmable Array Logic) или GAL (Generic Array Logic), составляют программируемая матрица элементов И и набор элементов ИЛИ, ко входам которых подключены выходы матрицы И. Условное изображение основной части ПМЛ (рис. 7.5.) показано для варианта с m входами, n выходами и р термами. Матрица элементов И состоит из р конъюнкторов, на входы каждого из которых поданы все m входных переменных как в прямой, так и в инверсной форме.
Сокращенное условное обозначение схем типа рис. 7.5 показано на рис. 7.6. В этом обозначении многовыходные элементы И изображаются с одной входной линией, пересекающей множество линий входных переменных. Линии, подключаемые к конъюнкторам, отмечены точками. Терм t1, например, содержит переменные x1, и (остальные переменные на рисунке не показаны), а терм t2 содержит переменные и (остальные переменные также не показаны). Тер м tк= 0, так как содержит логическое произведение , равное нулю. Такой терм не влияет на вырабатываемую функцию F1.
Обобщенная структура ПМЛ приведена на рис. 7.7, где помимо рассмотренных выше основных блоков МИ и набора дизъюнкторов показаны также входной и выходной буферы БВх и БВых. Входной буфер преобразует однофазные входные сигналы в парафазные, необходимые для матрицы И, а выходной буфер формирует сигналы, необходимые для передачи во внешнюю среду. Во многих ПМЛ выходной буфер в зависимости от его программирования может формировать прямые или инвертированные величины воспроизводимых функций.
Используя обратные связи с выхода ПМЛ на входы матрицы И, можно воспроизводить скобочные (факторизованные) формы логических функций, что увеличивает функциональные возможности ПМЛ. Рассмотрим простой пример. Пусть требуется получить функции суммы S и переноса С для одноразрядного сумматора, входами которого являются слагаемые а и b и входной перенос с. Искомые функции в дизъюнктивной нормальной форме выражаются следующим образом:
S = и С = .
При воспроизведении этих функций требуется выработка семи термов (четырех для функции S и трех для функции С). Вынося за скобки величину с для первой пары слагаемых и с для второй, получим
S= , где f =
Функцию переноса можно записать в виде
C = .
Реализация полученных факторизованных соотношений требует выработки всего пяти термов. Схема реализации (рис. 7.8) предусматривает выработку вначале функции f и затем ее использование в качестве одного из аргументов функций S и С. Задержка выработки результата возрастает.
В рассмотренной схеме один из выходов матрицы ИЛИ не требует внешнего вывода (является скрытым). Такие конфигурации (наличие обратных связей и скрытых выходов) широко встречаются в микросхемах программируемой логики. Они характерны для ряда типовых узлов цифровой техники, например, счетчиков.
Схемотехническая реализация программируемых соединений первого поколения осуществлялась с помощью плавких перемычек (типа fuse) или цепочек из двух встречно включенных диодов. У таких цепочек начальная проводимость близка к нулю, а при пробое одного из диодов со сплавлением его электродов цепочка приобретает одностороннюю проводимость. Позднее появились более совершенные программируемые соединения.
В схемотехнике, использующей МОП-транзисторы, базовыми элементами служат, как правило, элементы ИЛИ-НЕ, на которых строятся как программируемая матрица, так и элементы, формирующие выходные функции из сигналов, получаемых от программируемой матрицы.
Функциональные возможности биполярных и МОП-структурных ПМЛ принципиально сходны. Это можно показать с помощью правил де Моргана. Действительно, терм в МОП-структурной ПМЛ вида a b с равноценен терму abc , т. е. относительно инвертированных переменных этим термом воспроизводится конъюнкция. Функция a b c отличается от функции ИЛИ только инверсией. Следовательно, на основе элементов ИЛИ-НЕ реализуются ПМЛ с функциональными характеристиками, совпадающими с функциональными характеристиками биполярных ПМЛ на элементах И, ИЛИ, если иметь в виду инвертированные входные и выходные величины.
С течением времени функциональные возможности ПМЛ обогащались. Тракты обработки выходных сигналов матрицы элементов И усложнились и место простых дизъюнкторов заняли так называемые макроэлементы (макроячейки), в которых появились не только дополнительные логические элементы, но и триггеры с разнообразными вариантами функционирования.