28,,,,,,,,,,,,,,,,Программируемая матричная логика (pal), базовые матричные кристаллы (ga).
Программируемая матричная логика ПМЛ – это ПЛИС, имеющие программируемую матрицу "И" и фиксированную матрицу "ИЛИ". Фрагмент схемы ПМЛ приведен на рис.27.4, где на пересечении шин входных переменных xi и шин входных выводов И условно показано наличие всех перемычек ( • ). Программирование ПМЛ выполняется устранением лишних с точки зрения реализуемого алгоритма связей между указанным шинами.
По сравнению с ПЛМ эта схема имеет меньшую функциональную гибкость, так как матрица ИЛИ фиксирована, но их изготовление и использование проще.
В ПМЛ имеется ограничение на максимальное число конъюнкций в логических функциях, поскольку матрица ИЛИ фиксирована. Это приводит к необходимости минимизировать логическую функцию при ее реализации с использованием ПМЛ.
За счет использования программируемого буфера возможно получение реализуемых логических функций в прямом или инверсном виде. Существуют схемы с двунаправленными выводами, схемы с памятью, использующие дополнительные триггеры.
27.4. Базовые матричные кристаллы (ga)
Базовые матричные кристаллы (БМК) – альтернатива полностью заказным БИС и СБИС, проектирование и изготовление которых является достаточно дорогостоящим процессом и оправдано только при больших сериях. БМК явились тем средством, на основе которых при сравнительно низких затратах стало возможным выполнение специализированных устройств в виде БИС.
БМК – совокупность регулярно расположенных на полупроводниковых кристаллах топологических ячеек, между которыми оставлены свободные зоны для создания межсоединений. Такой кристалл является полуфабрикатом, который производится в массовых количествах без ориентации на конкретного потребителя. Чтобы на его основе было получено конкретное устройство, необходимо выполнить требуемые соединения элементов и ячеек. Выполнение соединений осуществляется на заключительных этапах изготовления, а проектирование устройства сводится к созданию рисунка межсоединений. Такие БИС/СБИС называют полузаказными. Процесс проектирования и изготовления такой микросхемы значительно дешевле, чем разработка и изготовление оригинальной БИС.
Недостатком БМК является неоптимальность результата проектирования, который проявляется в худшем использовании площади кристалла (часть элементов не используется) по сравнению со специализированными БИС и меньшем быстродействии.
В настоящее время с БМК применяются технологии КМОП, ТТЛШ, ЭСЛ. Уровень интеграции БМК достиг десятков миллионов вентилей на кристалле.
Внутренняя организация БМК представлена следующими элементами.
Базовая ячейка (БЯ) – набор схемных элементов, регулярно повторяющихся на кристалле. БЯ бывают нескоммутированными и частично скоммутированными. БЯ внутренней области называются матричными БЯ, ячейки периферийной зоны – периферийными БЯ. Соединением компонентов БЯ можно сформировать один логический элемент, из которых соответственно можно сформировать любой функциональный узел.
Функциональная ячейка (ФЯ) – функционально законченная схема, реализуемая путем соединения компонентов в пределах одной или нескольких БЯ.
Библиотека функциональных ячеек – совокупность ФЯ, используемых при проектировании. Эта библиотека содержит типовые подсхемы, предназначенные для решения стандартных задач. Библиотека содержит большое число функциональных элементов, узлов и их частей. Библиотеки избавляют проектировщика схем на БМК от рутинной работы создания стандартных подсистем. Работая с библиотекой, он ведет проектирование на функционально-логическом уровне, поскольку проблемы схемотехнического уровня уже решены при создании библиотеки.
Каналы трассировки – пути на БМК, позволяющие осуществлять межсоединения ячеек.
Канальные БМК (рис. 27.5, а) представляют собой матрицу ячеек, которые располагаются в центральной области кристалла и изолированы друг от друга. Области кристалла, не занятые ячейками, служат для выполнения соединений между ячейками – организаций каналов трассировки. У канальных БМК больше возможности по созданию связей, но низкая плотность упаковки из-за значительных затрат площади кристалле на области межсоединений. Эта структура использует биполярные транзисторы.
Бесканальные БМК (рис.27.5, б) представляют собой структуру, в которой вся внутренняя область заполнена ячейками. В этой структуре любая область может быть использована как для создания логической схемы, так и для создания межсоединений. Бесканальные БМК характерны для КМОП-схемотехники, в которой малая мощность рассеяния базовых ячеек позволяет добиваться высокой плотности упаковки. Бесканальные БМК реализуются в вариантах «море вентилей» и «море транзисторов». Первый содержит массив законченных логических элементов, второй – массив транзисторов.
Блочные БМК (рис.27.5, в) содержат как блоки логической обработки данных, так и память или другие специализированные блоки. Каждый из таких блоков представляет собой БМК в миниатюре. Между этими блоками располагаются трассировочные каналы. На периферии блоков размещают внутренние буферные каскады для формирования сигналов, обеспечивающих передачу сигналов по межблочным связям, имеющим относительно большую длину.
Основой БМК является кристалл полупроводника, на котором расположена матрица базовых ячеек, а по его краям – периферийные ячейки, содержащие элементы ввода/вывода сигналов, контактные площадки, выходные усилители и т.д. БМК выполняют многослойными (число слоев 2…6), что позволяет выполнять микросхемы более высокого уровня интеграции.
БМК, в зависимости от схемотехнической разновидности базовых ячеек, подразделяют на цифровые, аналоговые и аналого-цифровые. Аналоговые БМК позволяют реализовать операционные усилители, коммутаторы, фильтры и т.д. Они менее распространены по сравнению с цифровыми.