3.3 Программируемая матричная логика

Практика показывает, что, как правило, ФАЛ, реализация ко­торых необходима для решения тех или иных задач, содержит большое число переменных, но задана существенно меньшим, чем 2ⁿ числом конституент единицы. В этом случае применение ППЗУ в качестве ПЛИС становится неэффективным, что объясняется их большой аппаратной избыточностью. Действительно, увеличение числа входных переменных на единицу требует двойного увеличения числа выходов дешифратора ППЗУ, то есть существенно усложняет ИС и повышает ее стоимость. Этот недостаток ППЗУ привел к созданию принципиально нового класса приборов – программируемой матричной логики (ПМЛ), в которой увеличение числа входов матрицы И не приводит к увеличению числа ее выходов. Это достигается уменьшением максимального числа конституент, задающих исходную ФАЛ. Однако на практике это в подавляющем большинстве случаев вполне оправдано. Таким образом, ИС ПМЛ при одинаковой с ППЗУ площади кристалла позволяет реализовать ФАЛ значительно большего числа входных переменных.

Поскольку в ПМЛ появляется ограничение на максимальное число конъюнкций, то такие ИС, кроме разрядности входного слова п и числа выходных функций р, характеризуются еще одним параметром – максимальным числом конъюнкций (термов) в ФАЛ. Таким образом, одна ИС ПМЛ позволяет из п входных переменных синтезировать не более одного терма, который можно объединить с другими термами для реализации не более чем р выходных функций. Поэтому для реализации ФАЛ с использованием ИС ПМЛ ее не­обходимо минимизировать.

Как отмечалось ранее, ПМЛ реализует второй из рассмотрен­ных вариантов программирования ПЛИС. В этом случае настраи­вается матрица И при жестко заданных связях матрицы ИЛИ. Возможный вариант структурной схемы, реализующей данное тех­ническое решение, приведен на рисунке 20, где на пересечении шин входных переменных х_i и шин входных выводов элементов И ус­ловно указано наличие всех перемычек (\). Программирование ИС выполняется устранением лишних с точки зрения реализуе­мого алгоритма связей между указанными шинами.

Рассмотренный тип ИС прост для реализации заданных ФАЛ и при своем изготовлении использует хорошо отработанную тех­нологию производства ППЗУ. Поэтому данный тип ИС завоевал наибольшую популярность у разработчиков электронных устройств и на сегодняшний день составляет подавляющую долю рынка всех выпускаемых ПЛИС за рубежом.

ИС ПМЛ содержат до 3600 эквивалентных элементарных ЛЭ (двухвходовых И–НЕ или ИЛИ–НЕ), что, практически, перекрывает потребности проектируемой аппаратуры.

Рисунок 20 – Структурная схема ПМЛ

К сожалению, следует отметить, что данный класс ИС в на­стоящее время не типичен для отечественной элементной базы.

3.4 Программируемые логические матрицы

Программируемые ЛМ реализуют третий тип программирова­ния ПЛИС и обеспечивают возможность изменения связей как в матрице И, так и в матрице ИЛИ.

При всей гибкости такого решения специалисты считают, что данный тип ПЛИС достаточно сложен для большинства потребителей с точки зрения их программирования. Кроме этого, наличие программируемого соединения, например, плавкой перемычки, в обеих матрицах влечет за собой увеличение размеров, падение надежности и быстро­действия по сравнению с ПМЛ. Сказанное и определяет меньшее распространение данного типа ИС за рубежом. К тому же услож­нение ИС не дает явных преимуществ при проектировании электронных схем.

Возможный вариант структурной схемы, реализующей рассмат­риваемый принцип построения ПЛИС, показан на рисунке 21. На нем также условно показано наличие всех перемычек в матри­цах И и ИЛИ.

Рисунок 21 – Структурная схема ПЛМ

Как уже отмечалось, структуры ПМЛ и ПЛМ фрагментарно повторяют структуру ППЗУ. Поэтому исторически технология и физические принципы их построения повторяют путь, пройденный ППЗУ. Первыми были созданы ПЛМ и ПМЛ, изготовленные по биполярной технологии с программированием путем пережига­ния плавких перемычек. Затем появились ИС, выполненные по КМОП-технологии с плавкими перемычками, далее ИС с ультра­фиолетовым и электрическим стиранием записанной информации. Сегодня ПЛМ и ПМЛ выпускаются с использованием всех суще­ствующих технологий.

Существует несколько способов расширения функциональных возможностей ПЛИС. Основными из них являются:

- использование дополнительных внешних соединений входных и выходных выводов, то есть введение цепей обратной связи;

- введение в ИС ПЛИС дополнительных элементов, например, триггеров.

Отечественная промышленность выпускает ИС ПЛМ типа К556РТ1 и К1556РТ1, обеспечивающие реализацию восьми выходных функций 16 переменных при максимальном числе термов 48.