Программируемые логические матрицы

Современная электронная промышленность выпускает широкий спектр специализированных БИС, предназначенных для использования в нестандартной цифровой аппаратуре. Для таких БИС используется классификация по критерию участия заказчика в реализации конкретной функции (рис. 5.23.).

Рис. 5.23.

Заказные ИС разрабатываются на основе стандартных или специально созданных элементов и узлов по функциональной схеме заказчика. Топологические слои заказной ИС проектируется и изготовляется по индивидуальным фотошаблонам, что позволяет достичь предельных значений технических параметров в данной технологии. Заказные БИС могут также проектироваться на основе стандартных элементов, находящихся в составе библиотеки, которая может включать как простые логические элементы (И - НЕ, ИЛИ - НЕ, триггеры), так и более сложные (сумматоры, умножители, арифметико-логические устройства).

Полузаказные БИС состоят из заранее спроектированной изготовителем постоянной части. При использовании БК специализация БИС достигается на заключительном этапе производства за счет нанесения переменных слоев межсоединений. ПЛИС поставляется потребителю в конструктивно-законченном виде и программирование производится электрическим способом.

Этапы проектирования, необходимые для соответствующих видов специализированных БИС приведены в таблице 5.4.

Таблица 5.4. Этапы разработки специализированных БИС

Этапы проектирования	ПЛИС	БК	СЭ	ПЗ
Системное проектирование	+	+	+	+
Логическое проектирование	+	+	+	+
Схемотехническое проектирование	-	-	-	+
Изготовление шаблонов	-	{}	+	+
Изготовление кристаллов	-	+	+	+
Проверка готовой схемы	+	+	+	+

Примечание: + - необходимые, { } - нужные не всегда, - - ненужные.

Решая задачу выбора метода проектирования специализированной БИС инженер - схемотехник должен учесть несколько факторов (уровень сложности, время и схемность разработки, соответствие критериям оптимальности и др.) [19]

Одним из видов программируемых потребителем полузаказных ИС являются программируемые логические матрицы (ПЛМ). Функциональная структура ПЛМ состоит из n - входов, k - элементов "И", выходы которых образуют k вертикальных шин, m - элементов "ИЛИ", выходы которых подключены к сумматорам по модулю 2 (рис. 5.24.)

Рис. 5.24.

Каждый элемент "И" (конъюнктор) имеет 2-n входов, которые соединяют его со всеми линиями входных сигналов и их инверсиями. В линии связи включены специальные перемычки, которые выполняются из нихрома, кристаллического кремния или в виде p-n переходов, которые могут быть разрушены с помощью подачи определенных импульсов тока или напряжения заданной амплитуды и длительности.

ПЛМ является эффективным средством для реализации систем логических функций (СЛФ).

Пусть СЛФ представлена в форме ДНФ:

где U_ij - ЭК различных рангов. Понятно, что если число входных переменных не превышает числа входов ПЛМ и количество ЭК в системе функций (f₁...f_p) не более числа конъюнктеров К, то каждую ЭК можно реализовать на соответствующем конъюнкторе. Число входных дизъюнкторов, должно быть не меньше р. Ресурсы, требуемые для реализации СЛФ существенным образом зависят от свойств этой системы и формы представления функций. ЛФ, представленные в виде ДНФ называются связанными, если у них имеются одинаковые ЭК, и соответственно, несвязанными, если таковых ЭК не имеется. Наличие связанных ЛФ сокращает число требуемых конъюнкторов. В этом смысле полезна также и минимизация ЛФ в СЛФ, что может привести к сокращению числа ЭК и уменьшению их рангов, что сокращает затраты на программирование. Поскольку важнейшим ресурсом ПЛМ является число конъюнкторов, то оптимальной формой представления СЛФ является кратчайшая ДНФ (КДНФ). Можно ввести параметры, характеризующие СЛФ:

R - число одинаковых ЭК в системе; Т_j - число ЛФ, связанных одинаковой ЭК (j = 0, 1, ..., R).

Тогда число конъюнкторов, необходимых для реализации СЛФ определится формулой:

На основании проведенных рассуждений формулируются критерии реализуемости СЛФ на конкретной ПЛМ. Для этого СЛФ приводится к виду КДНФ, для СЛФ определяются параметры: N - максимальное число переменных в системе; M - число необходимых конъюнкторов; P - число функций в системе. Общий критерий реализуемости принимает вид: ((k >= M) & (n >= N) & (m >= P)).

Если любое из неравенств не выполняется, то СЛФ на заданной ПЛМ нереализуема. Если (k-M)(n-N)(m-P) = 0, то ресурс ПЛМ для реализации новых СЛФ исчерпан, если же ((k - M > 0) & (n - N > 0) & (m - P > 0)), то имеется ресурс для реализации дополнительных ЛФ.

В качестве примера рассмотрим микросхему КР556РТ1, все связи в которой программируются электрически, путем пережигания нихромовых перемычек в режиме программирования [21]. Выходные функции могут программироваться с активным высоким, либо с активным низким уровнями. Условное графическое изображение ИС КР556РТ1 приведено на рис.5.25., а структурная схема на рис.5.26. назначения выходов микросхемы следующие:

1 - сигнал программирования PR;

2 - 9 - входы А8 - А1;

10 - 13 - выходы В8 - В5;

14 - общий;

15 - 18 - выходы В4 - В1;

19 - выбор микросхемы CS;

20 - 27 - входы А16 - А9;

28 - питание Uсс

Рис. 5.25. Условное графическое обозначение ИС КР556РТ1

Структурная схема ИС КР556РТ1 представлена на рис. 5.26.

Рис. 5.26. Структурная схема ИС КР556РТ1

ПЛМ включает в себя: матрицу конъюнкторов (матрицу И), матрицу дизъюнторов (матрицу ИЛИ), блок входных усилителей (БУ), блок выходных каскадов (ВК), схему разрешения выборки кристалла (РВ); программирующие дешифратор (ДШ), программирующие адресные формирователи (АФ1, АФ2). Входные усилители формируют прямые и инверсные значения входных переменных по 16 входам (А1-А16).

Функционалбная схема ИС КР556РТ1 представлена на рис. 5.27.

Первый логический уровень представляют 48 конъюнкторов матрицы И, соединяемых с любым из 16 входов через плавкие нихромовые перемычки. В матрице И реализуются ЭК, каждая переменная может входить в ЭК прямым или инверсным значением, или не входить вовсе. Выходные сигналы конъюнкторов вводятся в матрицу ИЛИ, реализующую дизъюнкции заданных ЭК. Каждый из восьми дизъюнкторов может быть выборочно связан с любым из конъюнкторов. Шины, связывающие матрицу И и ИЛИ называются шинами конъюнкций (Р1-Р48), а шины, связывающие матрицу ИЛИ с выходными каскадами, шинами дизъюнкций (S1-S8). Выходные каскады содержат схемы исключающее ИЛИ (сумма по mod 2) и усилители считывания. Заземление одного из входов схемы исключающее ИЛИ через плавкую перемычку приводит к тому, что выходной каскад работает как повторитель и активным уровнем выходного сигнала становится выходное напряжение высокого уровня; в случае расплавления перемычки выходной каскад работает как инвертор и активным уровнем выходного сигнала становится выходное напряжение низкого уровня.

Программирующий дешифратор (ДШ) и адресные формирователи работают только в режимах программирования и контроля ПЛМ. Организация этих режимов достаточно сложна, поэтому мы отсылаем заинтересованного читателя к [22].

ПЛМ поставляются незапрограммированными: все плавкие перемычки целы; к каждому конъюнктору подключены как прямые, так и инверсные входные переменные Am ; каждый дизъюнктор получает все 48 ЭК; для каждого выхода активным уровнем является высокий; на всех выходах присутствует напряжение низкого уровня при напряжении низкого уровня на входе CS.

Программирование дизъюнкторов производится только в тех случаях, когда ЭК не включается в выходную функцию. Если конъюнктор К_i использует входную переменную A_j, то перемычка, соединяющая этот конъюнктор с шиной входной переменной A_j, должна быть расплавлена, и наоборот. Если переменная A_j не используется конъюнктором К_i, то обе перемычки входных переменных A_j и A _j должны быть расплавлены.

Если число используемых входных переменных меньше пятнадцати, то неиспользуемые переменные должны быть исключены во всех используемых конъюнкторах. Если число используемых выходных функций меньше восьми, то все перемычки в матрице ИЛИ, соединяющие неиспользуемые дизъюнкторы и используемые ими неиспользуемые конъюнкторы, пережигать не требуется.

В качестве примера рассмотрим реализацию на ПЛМ КР 556РТ1 следующей СЛФ:

Здесь функции f₁ - f₃ представлены в МДНФ.

Определим число конъюнкторов, необходимых для реализации СЛФ:

Проверяем критерий реализуемости: К - М = 48 - 15 = 33 > 0; n - N = 16 - 5 = 11 > 0; m - P = 8 - 3 = 5 > 0. Таким образом, все критерии реализуемости выполняются и имеется еще ресурс для реализации дополнительных ЛФ.

Построим далее матрицы программирования ПЛМ. Матрица конъюнкторов представлена табл. 5.5, а матрица дизъюнкторов табл. 5.6. Выходные каскады программировать не требуется, так как используются прямые выходы функций и выходные сигналы должны иметь активный высокий уровень.

Таблица 5.5. Матрица конъюнкторов

Номер конъюнктора

Номер входа

Примечание

A₁

A₂

A₃

A₄

A₅

A₆...A₁₆

x...x

исп.в f2

x...x

исп.в f3

x...x

K10

x...x

K11

x...x

K12

x...x

K13

x...x

K14

x...x

K15

x...x

Примечание: x - пережигаемые перемычки, конюнкторы К16…К48 не используются, дизъюнкторы S4-S8 не используются.

Таблица 5.6. Матрица дизъюнкторов

Номер дизъюнктора

Номер входа

p₁

p₂

p₃

p₄

p₅

p₆

p₇

p₈

p₉

p₁₀

p₁₁

p₁₂

p₁₃

p₁₄

p₁₅

p₁₆...p₄₈

Принципиальная электрическая схема реализации данной СЛФ приведена на рис. 5.28. Ток потребления ПЛМ состовляет приблизительно 120 мА, а среднее время задержки распространения около 40 нс.

Рис. 5.28.


	Предыдущая страница \| Следующая страница В начало \| Введение \| Содержание \| Предметный указатель \| О создателях





	© 1999 Vologda, VSTU

5.5. Программируемые логические матрицы (ПЛМ)