6.2.2 Программируемые логические матрицы

Следующая ступень развития ПЛУ – решение проблем, связанных с ограничениями, свойственными архитектуре ППЗУ. Первые программируемые логические матрицы (ПЛМ) появились примерно в в 1975 году. В них были программируемы как массив функций ИЛИ, так и массив функций И. В отличие от ППЗУ, количество функций И в одноимённом массиве не зависит от количества входов матрицы. Аналогично, количество функций ИЛИ в одноимённом массиве не зависит от количества входов матрицы и от размера массива функций И.

Для примера на рис.6.12 приведена незапрограммированная ПЛМ на три входа и три выхода, а на рис.6.13 показана запрограммированная ПЛМ, реализующая следующие три уравнения :

Рис.6.12. Незапрограммированная ПЛМ

Наряду с преимуществами, которые имеют ПЛМ по сравнению с ППЗУ, у них есть и недостатки. Сигналам для прохождения через программируемые связи требуется больше времени, чем через предопределённые аналоги. Поэтому ПЛМ работает медленнее, чем ППЗУ, так как оба массива и функций И и функций ИЛИ являются программируемыми.

Рис.6.13. Запрограммированная ПЛМ

6.2.3. Программируемые матрицы pal и gal

Для того, чтобы решить проблему быстродействия, свойственную ПЛМ, в конце 1970-х появился новый класс устройств, называемый программируемый массив логики (ПМЛ или PAL – Programmable Array Logic). В отличие от ППЗУ они состоят из программируемого массива логических функций И и предопределённого массива функций ИЛИ. Устройства GAL ( Generic Array Logic – изменяемый массив логики), разработанные в 1983 году компанией Lattice Semiconductor Corporation, представляют собой более сложные электрически стираемые КМОП-разновидности идеологии PAL.

В качестве примера на рис.6.14 приведено простое PAL-устройство с тремя входами и тремя выходами. Преимуществом микросхем PAL по сравнению с ПЛМ является более высокое быстродействие, так как из двух массивов у них только один является программируемым.

Рис.6.14. Незапрограммированное устройство PAL

6.2.4 Дополнительные программируемые опции

В отличие от рассмотренных выше примеров микросхем ПЛМ и PAL, промышленность выпускает очень большие ПЛМ и PAL с множеством входов, выходов и с внутренними сигналами. В них могут быть предусмотрены дополнительные программируемые опции, такие, как возможность инвертировать выходы, либо иметь выходы с тремя состояниями, либо и то и другое. Кроме того, некоторые из них поддерживают регистровые выходы и позволят пользователю выбрать версию выхода – регистровую или нерегистровую. Некоторые устройства позволяют конфигурировать определённые выводы в качестве либо выходов, либо дополнительных входов. Этим списком не ограничивается список дополнительных опций, который постоянно пополняется разными производителями.

6.2.5 Сложные плу

В начале 1980-х были разработаны более сложные программируемые логические устройства, так называемые сложные ПЛУ (CPLD – complex PLD). Они отличались от простых ПЛУ большей функциональностью, меньшими физическими размерами, более высоким быстродействием и меньшей стоимостью.

Существенный технологический прорыв в этом направлении совершила компания Altera, которая представила сложное ПЛУ, основанное на сочетании КМОП- и СППЗУ-технологий., и в котором использовался центральный коммутационный массив с количеством соединений с входами/выходами блоков менее 100%. Это осложнило программное обеспечение для проектирования ПЛУ, но позволило существенно увеличить быстродействие и значительно снизить потребляемую мощность и стоимость этих устройств.

Несмотря на то, что каждый производитель сложных ПЛУ реализовывал свои уникальные технологии, в общем случае устройство состояло из нескольких блоков простыл ПЛУ, обычно PAL, объединённых общей программируемой коммутационной матрицей ( рис.6.15). Помимо отдельных блоков простых ПЛУ можно было также запрограммировать соединения между ними с помощью программируемой коммутационной матрицы.

Рис.6.15. Общая структура сложного ПЛУ

На рис.6.15 не показаны различные дополнительные компоненты и он даёт лишь поверхностное представление о работе сложного ПЛУ. Все структуры сформированы на одном кристалле кремния. Например, программируемая коммутационная матрица может содержать большое количество проводников, скажем 100. Но это больше, чем может быть подключено к блоку простого ПЛУ, который способен работать только с ограниченным количеством сигналов, скажем 30. Блоки простых ПЛУ связаны с коммутационной матрицей своего рода программируемыми мультиплексорами ( рис.6.16).

Рис.6.16. Использование программируемых мультиплексоров

В зависимости от производителя и от типа устройства программируемые переключатели сложных ПЛУ могут быть выполнены на ячейках памяти типа СППЗУ, ЭСППЗУ, Flash или на статическом ОЗУ. При использовании статического ОЗУ появляется возможность увеличить универсальность этой памяти, используя её в качестве программируемых переключателей и в качестве фактической оперативной памяти.