4.4. Бис/сбис с программируемыми структурами (cpld, fpga, смешанные структуры)

Микросхемы ПМЛ и БМК положили начало двум основным ветвям дальнейшего развития логических схем с программируемими структурами. Продолжением линии ПМЛ стали БИС/СБИС сложных программируемых логических устройств CPLD, а продолжением линии БМК – программируемые пользователем вентильные матрицы FPGA. Стремление объединить достоинства обеих линий привело к созданию БИС/СБИС смешанной архитектуры, для которых не выработано общепринятое название, фирма Altera, первой выпустившая такие схемы, назвала их FLEX (Flexible Logic Element Matrix). Сложность таких микросхем соответствует целым системам.

В разработке интегральных схем с программируемой структурой (ИСПС) в настоящее время участвуют десятки фирм, ведущими среди них являются Xilinx, Altera, Acctel, Atmel, Lattic Semiconductor.

Сфера применения ПЛИС чрезвычайно широка, на них могут строиться не только отдельные блоки систем, но и системы в целом, включая процессоры и память.

Классификация ПЛИС по типу программируемых элементов представлена на рис. 4.4.

Рис.4.4. Классификация ПЛИС по типу программируемых элементов

Для современных ПЛИС характерны следующие типы программируемых ключей:

- перемычки типа antifuze;

- транзисторы с плавающим затвором (ЛИЗМОП);

- ключевые МОП-транзисторы, управляемые триггерами памяти конфигурации («теневыми» ЗУ).

Программирование с помощью перемычек antifuze является однократным. Современные перемычки (фирмы QuickLogic и Actel) имеют высокое качество. Перемычка образована трехслойным диэлектриком с чередованием слоев «оксид-нитрид-оксид», помещенных между проводящими поликремнеевой и диффузионной шинами. Поэтому такую конструкцию иногда еще называют ONO (Oxid-Nitrid-Oxid). Программирующий импульс напряжения пробивает перемычку и создает проводящий канал из поликремния между электродами.

Элементы EPROM, EEPROM и флэш-памяти используются в интегральных схемах с перепрограммируемой структурой. Информацию, хранимую в памяти конфигурации, можно стирать с помощью УФ-облучения или электрическими импульсами. В настоящее время микросхемы с УФ-стиранием практически не выпускаются вследствие дороговизны корпуса с прозрачным окошком, но выпускаются приборы с однократным программированием (ОТР), выполненные по той же технологии, но в обычном корпусе.

Доминирующее положение на рынке интегральных схем с перепрограммируемой структурой занимают ПЛИС с триггерной памятью конфигурации. Упрощенная схема электронного ключа, используемого в этих схемах, приведена на рис. 4.5.

Рис.4.5. Упрощенная схема электронного ключа ПЛИС с триггерной памятью

Ключевой транзистор VT2 замыкает и размыкает участок ab в зависимости от состояния триггера, выход которого подключен к затвору транзистора VT2. При программировании на линию выборки подается высокий потенциал, и транзистор

VT1 открывается. С линии записи/чтения подается сигнал, устанавливающий триггер в состояние лог. «0» или «1». В рабочем режиме VT1 заперт и триггер сохраняет неизменное состояние. Т. к. от триггера памяти не требуется высокого быстродействия, он проектируется из соображений компактности и максимальной стабильности. Впервые такие схемы были применены фирмой Xilinx. Загрузка соответствующих данных в память конфигурации программирует ПЛИС на выполнение задачи. Этот процесс производится многократно (неограниченное число раз) при каждом включении питания. Триггеры памяти распределены по всему кристаллу. Ключевой транзистор можно назвать программируемой точкой связи ПТС.

Расмотренные подходы к построению перепрограммируемых логических схем привели в дальнейшем к появлению более сложных изделий, таких как сложные программируемые логигические устройства (CPLD) и программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA). Эти устройства выполняют более сложные функции и имеют в своем составе функционально законченные логические блоки, включая оперативную память. Они предназначены для решения сложных задач по управлению и обработке сигналов. Направления БИС/СБИС с перепрограммируемыми структурами продолжает интенсивно развиваться в настоящее время. При этом решающее значение имеет автоматизация проектирования сложных цифро-аналоговых устройств. Этому обстояльству обязаны появлением современные языки описания аппаратуры (HDL), предназначенные в конечном итоге для получения кодов для вышеописанных ПТС. Примерами таких языков низкого уровня могут служить языки PLDASM (Intel), AHDL (Altera), ABEL (Xilinx). Среди языков высокого уровня известны VHDL и Verilog.