Тема. Програмовані логічні інтегральні схеми.
Основи побудови структур простих ПЛІС
Розглянуті у попередніх розділах різноманітні цифрові пристрої належать до стандартних інтегральних схем невисокого рівня інтеграції. Вони навіть на сучасному рівні розвитку мікропроцесорної техніки знаходять дуже широке використання, виготовляються на основі простих технологій, а тому мають низьку вартість, що, знову ж таки, підштовхує розробників цифрової апаратури до їх використання.
Але поряд із стандартними елементами у будь-якому цифровому пристрої існують і нестандартні модулі, без використання яких часто не можна обійтися, але їх виготовлення на стандартних елементах є або неможливим, або надто затратним, оскільки призводить до використання великої кількості корпусів, ускладнення монтажу, друкованих плат, зростання часових затримок і т. д. Виготовлення спеціалізованих ІС на замовлення спричиняє значні витрати коштів і часу на їх розробку та виготовлення. Саме ці проблеми і дали поштовх до створення інтегральних схем із програмованою і репрограмованою структурами, призначеними для побудови нестандартних модулів розроблюваної електронної системи. Незважаючи на те, що такі структури можуть мати досить значну кількість логічних елементів, їх універсальність та висока серійність будуть більш вагомими аргументами у плані застосування.
Використання програмованих логічних інтегральних схем відкриває широкий простір для розробника електронної апаратури. На їх основі можливе створення функціонального обладнання різного ступеня складності. Наприклад, протягом останнього часу провідні фірми-виробники ПЛІС почали рекламувати свої вироби як повноправну заміну класичним процесорам цифрової обробки сигналів.
Плм (програмовані логічні матриці)
Програмовані логічні матриці (ПЛМ) (PLA - Programmable Logic Array) історично були першими із програмованих інтегральних схем. Прикладами ПЛМ можуть служити вітчизняні мікросхеми К556РТ1, К556РТ2, К556РТ21. Узагальнена їх структура наведена на рис. 1.
Рисунок 1. Структура програмованих логічних матриць
Матриця складається з послідовно з’єднаних вхідного блоку, призначеного для формування парафазних груп вхідних сигналів необхідної потужності; матриці М1 багатовходових елементів І; матриці Мг елементів АБО і вихідного блоку, який забезпечує необхідні характеристики вихідного сигналу (наявність Z-стану, відкритий колектор).
Основними параметрами ПЛМ є кількість входів п, кількість мінтермів (виходів матриці M1) k і кількість виходів т. Реально завжди виконується нерівність: 2n >>k, тому число мінтермів визначає складність логічних функцій, що реалізуються.
На рис. 2, а наведено приклад структурної схеми ПЛМ з п = 4 і m = 3 ТТЛ типу, а на рис. 2, б, в - схеми відповідних комутаційних вузлів, що складаються з діода і плавкої перемички, подібно до РПЗП.
Рисунок 2. - Програмовані логічні матриці
У разі використання КМОН-технології діоди замінюються польовими транзисторами. Схема матриці (рис. 2, а) залишається незмінною, а схеми комутаційних вузлів забезпечують реалізацію логічних операцій І-НІ та АБО-HI, що не впливає на кінцевий результат.
Недоліком архітектури ПЛМ виявилося слабке використання ресурсів програмованої матриці АБО, тому подальший розвиток отримали мікросхеми, побудовані за архітектурою програмованої матричної логіки (ПМЛ).
Пмл (програмована матрична логіка)
Програмована матрична логіка (ПМЛ) (англ. PAL - Programmable Array Logic) є спрощеним варіантом ПЛМ і характеризується тим, що має програмовану матрицю елементів І та фіксовану матрицю АБО. Поява цих пристроїв обумовлена тим, що у більшості прикладних задач використовуються нескладні логічні функції, які можуть бути реалізовані на скінченній кількості елементів АБО. У ПМЛ відпадає необхідність програмування матриці АБО, внаслідок чого її використання суттєво спрощується. Приклад організації ПМЛ подано на рис. 3.
Прикладами ПМЛ такого типу є мікросхеми PAL16L8, PAL22V10 ТТЛ, а також GAL16V8-5 і PALCE16V8-5 КМОН-тех- нологій. Серед мікросхем країн СНД подібними є мікросхеми серії КМ1556 (ХП4, ХП6, ХП8, ХЛ8). Різновидом цього класу є ПЛІС, які мають тільки одну програмовану матрицю І, - наприклад, мікросхема 85С508 фірми Intel.
Мікросхеми ПМЛ знайшли широке використання у реалізації нескладних логічних функцій й інтенсивно вдосконалювались у різних напрямках. Виникли ПМЛ з програмованим вихідним буфером, що дало можливість отримувати як прямі, так і інверсні значення функцій; мікросхеми з двонапрямленими виводами, що можуть використовуватись як входи і як виходи; мікросхеми з елементами пам’яті на основі синхронних D-тригерів або цілих регістрів. Все це значно розширює галузі використання програмованої матричної логіки, відкрило можливості побудови синхронних цифрових автоматів.
На рис. 4 подано умовне зображення ПМЛ PAL16L8 - мікросхеми, що донедавна знаходила широке використання у побудові спеціалізованих цифрових пристроїв. Її програмована матриця І має 64 рядки та 32 стовпці і використовувані для програмування 64 х 32 = 2048 перепалювані перемички. Кожен із 64 елементів матриці І має 32 входи, що охоплюють 16 вхідних змінних та їх заперечень; 10 з них приєднується до входів І1 – І10, а решта 6 мають можливість приєднуватись до виводів І02 -107, що можуть програмуватись як входи, так і як виходи, а також мають Z-стан.
Рисунок 4. - ПМЛ PAL16L8