2.11.3. Сложные программируемые логические устройства

Микросхемы ПМЛ, безусловно, очень полезны, во они вмещают относительно небольшое количество логических элементов, поэтому для реализации типичной цифровой системы может потребоваться очень много таких чипов. Для подобных целей имеет смысл применять более крупные схемы, называемые сложными пр-граммируемыми логическими устройствами, СПЛУ (Complex Programmable Logic Device, CPLD). Они состоят из двух или нескольких блоков типа ПЛМ с про­граммируемыми межсоединениями. Структуру такого чипа можно видеть на рис. 2.43, Каждый блок типа ПМЛ соединен со множеством входных и выходных выводов. Соединения между блоками устанавливаются путем программирования переключателей, связанных с соединительными линиями. Коммутационный блок представляет собой набор горизонтальных и вертикальных проводящих линий. Каждую горизонтальную линию путем программирования соответствующих пере­ключателей можно соединить с одной из вертикальных. Обычно схема не позво­ляет соединять любые вертикальные линии с любыми горизонтальными, по­скольку для этого потребовалось бы слишком много переключателей. В реальных схемах их бывает намного меньше.

Рис. 2.43. Структура сложного программируемого логического устройства

Серийно выпускаемые СПЛУ имеют разные размеры — они могут содержать от двух до более чем ста блоков ПМЛ. Такой чип программируется путем загруз­ки управляющей информации через nopm JTAG. Этот четырехконтактный порт соответствует стандарту IEEE, разработанному Joint Test Automation Group.

2. 12. Программируемые вентильные матрицы

Микросхемы ПМЛ достаточно универсальны, но их размер ограничен по той причине, что для каждой суммы произведений требуется один выходной контакт. Для преодоления этого ограничения разработан класс более мощных программи­руемых устройств, называемых программируемыми вентильными матрицами, ПВМ (Field Programmable Gate Array, FPGA), Концептуальная схема такой мат­рицы показана на рис. 2.44. Она состоит из набора логических блоков (обозна­ченных черными квадратами), которые могут соединяться с помощью общих межсоединений. Межсоединения, выделенные на рисунке серым цветом, состоят из отрезков проводящих линий и программируемых переключателей. Переклю­чатели используются для установки соединений между разными сегментами про­водящих линий. Построенный таким образом чип обладает исключительной гиб­костью. Для доступа к выходным и входным контактам чипа здесь предназначе­ны буферы ввода-вывода.

Рис. 2.44. Концептуальная схема программируемой вентильной матрицы

Существует множество конструкций логических блоков и структур межсоеди­нений. Логическими блоками могут служить простейшие схемы на основе мульти­плексоров, реализующие логические функции (см. раздел 2.10). В еще одной попу­лярной конструкции в качестве логического блока используется простейшая таб­лица для выбора значения. Например, таблица с четырьмя входами может быть реализована в виде 16-разрядной схемы памяти, в которой хранится таблица ис­тинности логической функции. Каждый бит памяти соответствует одной комбина­ции значений входных переменных. Путем программирования этой таблицы мож­но реализовать любую функцию четырех переменных. Еще логические блоки мо­гут содержать триггеры, обеспечивающие дополнительную гибкость. В дополнение к логическим блокам многие программируемые вентильные матрицы включают достаточно большое количество ячеек памяти (на рис. 2.44 они не показаны), кото­рые могут использоваться для реализации таких структур, как очереди или RAM и ROM-компоненты в приложениях для встроенных процессоров.

С точки зрения пользователя, между программируемыми вентильными мат­рицами и сложными программируемыми логическими устройствами имеются су­щественные различия. Функциональные возможности чипов вентильных матриц гораздо шире, и на их основе могут быть реализованы довольно большие и слож­ные логические схемы. Один такой чип может содержать более миллиона логиче­ских вентилей. Различна и скорость работы этих двух типов микросхем. Посколь­ку во внутренних межсоединениях вентильной матрицы используются програм­мируемые переключатели, задержка на распространение сигнала в ней неизбежно будет более заметной, нежели у таких менее гибких устройств, как микросхемы ПМЛ или СПЛУ.

Программируемые вентильные матрицы становятся все более популярными у конструкторов цифровых логических устройств, поскольку они позволяют рас­полагать на одном чипе очень сложные схемы и избегать разработки и создания пользовательских СБИС, что, во-первых, дорого, а во вторых, требует очень мно­го времени. Пользуясь средствами автоматизированного проектирования, конст­рукторы могут создавать интегральные схемы на основе программируемых вен­тильных матриц не за месяцы, как пользовательские СБИС, а за считанные дни. Даже самые большие ИС на основе программируемых вентильных матриц стоят всего несколько сотен долларов, и затраты, связанные с их разработкой, очень ма­лы по сравнению с затратами на разработку пользовательских чипов.

Основы программируемых логических устройств освещаются во многих со­временных книгах по проектированию логических схем. За более подробной ин­формацией об этих устройствах читателя можно отослать и к документации от производителей.