Программируемые логические матрицы (ПЛМ)

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. 2.1).

Рис. 2.1.

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 2.1.

Таблица 2.1.

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.).

Одним из видов программируемых потребителем полузаказных ИС являются программируемые логические матрицы (ПЛМ). Основой их служит последовательность программируемых матричных элементов И и ИЛИ. В структуру входят также блоки входных и выходных буферных каскадов. Входные буферы преобразуют однофазные входные сигналы в парафазные и формируют сигналы необходимой мощности для питания матрицы элементов И.

Выходные буферы обеспечивают необходимую нагрузочную способность выходов, разрешают или запрещают выход ПЛМ на внешние шины, а иногда выполняют более сложные действия.

Основными параметрами являются число входов m, число термов l, число выходов n (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Базовая структура ПЛМ

Переменные х₁...х_m подаются через БВх на входы элементов И (конъюнкторов), и в матрице И образуются l термов. Под термом здесь понимается конъюнкция, связывающая входные переменные, представленные в прямой или инверсной форме. Число формируемых термов равно числу конъюнкторов или, что то же самое, числу выходов матрицы И.

Термы подаются далее на входы матрицы ИЛИ т. е. на входы дизъюнкторов. формирующих выходные функции. Число дизъюнкторов равно числу вырабатываемых функций n.

Таким образом, ПЛМ реализует дизъюнктивную нормальную форму (ДНФ) воспроизводимых функций (двухуровневую логику). ПЛМ способна реализовать систему n логических функций от m аргументов, содержащую не более l термов. Воспроизводимые функции являются комбинациями из любого числа термов, формируемых матрицей И. Какие именно термы будут выработаны и какие комбинации этих термов составят выходные функции, определяется программированием ПЛМ.

2.1. Схемотехника ПЛМ

Выпускаются ПЛМ как на основе биполярной технологии, так и на МОП-транзисторах. В матрицах имеются системы горизонтальных и вертикальных связей, в узлах пересечения которых при программировании создаются или ликвидируются элементы связи.

На рис. 2.2, а в упрошенном виде (без буферных элементов) показана схе­мотехника биполярной ПЛМ К556РТ1 с программированием пережиганием перемычек. Показан фрагмент для воспроизведения системы функций размерностью 4, 7, 3.

Параметрами микросхемы К556РТ1 являются 16, 48, 8.

Элементами связей в матрице И служат диоды, соединяющие горизонтальные и вертикальные шины, как показано на рис. 2.2, б, изображающем цепи выработки терма t₁. Совместно с резистором и источником питания цепи выработки термов образуют обычные диодные схемы И.

2.2. Схемотехника ПЛМ, реализованной в биполярной технологии (в) и связей в матрицах И (б) и ИЛИ (в)

До программирования все перемычки целы, и диоды связи размещены во всех узлах координатной сетки. При любой комбинации аргументов на выходе будет ноль, т. к. на вход схемы подаются одновременно прямые и инверсные значения аргументов, а хх=0. При программировании в схеме оставляются только необходимые элементы связи, а ненужные устраняются пережиганием пе­ремычек. В данном случае на вход конъюнктора поданы х₁, х₂ и х₃. Высокий уровень выходного напряжения (логическая единица) появится только при наличии высоких напряжений на всех входах, низкое напряжение хотя бы на одном входе фиксирует выходное напряжение на низком уровне, т. к. открывается диод этого входа. Так выполняется операция И, в данном случае вырабатывается терм х₁х₂х₃.

Элементами связи в матрице ИЛИ служат транзисторы (рис. 2.2, в), включенные по схеме эмитгерного повторителя относительно линий термов и образующие схему ИЛИ относительно выхода (горизонтальной линии). На рис. 2.2, в показана выработка функции F_i.

При изображении запрограммированных матриц наличие элементов связей (целые перемычки) отмечается точкой в соответствующем узле.

В схемах на МОП-транзисторах в качестве базовой логической ячейки используют инвертирующие (ИЛИ-НЕ, И-НЕ) Соответственно этому меняются и операции, реализуемые в первой и второй матрицах ПЛМ. В частности, в схемотехнике n-МОП базовой ячейкой обычно служит ячейка ИЛИ-НЕ, а структура ПЛМ имеет вид (рис. 2.3). Такая ПЛМ является последовательностью двух матриц ИЛИ-НЕ, одна из которых служит для выработки термов, другая — для выработки выходных функций.

Терм t_i в данном случае равен:

а функция:

На основании этих выражений можно заключить, что известная связь между операциями, выражаемая правилами де Моргана, говорит о фактическом совпадении функциональных характеристик биполярной ПЛМ и ПЛМ на МОП-транзисторах: если на входы последней подавать аргументы инвертированные относительно аргументов биполярной ПЛМ, то на выходе получим результат, отличающийся от выхода биполярной ПЛМ только инверсией.

Рис. 2.3. Схемотехника ПЛМ, реализованной на МОП-транзисторах

2.2. Подготовка задачи к решению с помощью ПЛМ

Имея в виду подбор ПЛМ минимальной сложности, следует уменьшить по возможности число термов в данной системе функций. Содержанием минимизации функций будет поиск кратчайших дизъюнктивных форм. Вести поиск минимальных по числу термов представлений задачи следует до уровня, когда число термов становится равным l — параметру имеющихся ПЛМ. Дальнейшая минимизация не требуется. Если размерность имеющихся ПЛМ обеспечивает решение задачи в ее исходной форме, то минимиза­ция не требуется вообще, т. к. не ведет к сокращению оборудования.

2.3. Программирование ПЛМ

Программирование ПЛМ, выполняемое пользователем, проводится с помощью специальных устройств (программаторов) и сведения для них о данной ПЛМ должны иметь определенную форму. Имеются программаторы, которые принимают в качестве информации о ПЛМ таблицу функционирования (истинности), однако удобнее задавать сведения о самих перемычках. Символы, используемые при таком заданий сведений для программирования ПЛМ:

Н – переменная входит в терм в прямом виде, т. е. нужно оставить целой перемычку прямого входа и пережечь перемычку инверсного входа;

L – переменная входит в терм в инверсном виде, т. е. нужно сохранить перемычку у инверсного входа и пережечь у прямого;

"—" – переменная не входит в терм и не должна влиять на него, т. е. нужно пережечь перемычки обоих входов.

Оставление перемычек у обоих входов переменной как бы устраняет из матрицы соответствующую схему И, поскольку в силу равенства хх = 0 выход этой схемы всегда нулевой и не влияет на работу матрицы ИЛИ, на вход которой подается;

А – указывается в выходном столбце (столбце функции) и свидетельствует о связи данной схемы И с выходом ПЛМ через матрицу ИЛИ. Пе­ремычка должна быть сохранена;

"." – указывает на то, что данная схема И не подключается к выходу и должна иметь пережженную перемычку в матрице ИЛИ.

В принятой символике для программирования ПЛМ взятого ранее примера сведения будут заданы таблицей (табл. 2.2).

Таблица 2.2

2.4. Упрощенное изображение схем ПЛМ

Схемы ПЛМ достаточно громоздки, и поэтому изображать их желательно с максимально возможным упрощением. Используются изображения, в которых многовходовые элементы И, ИЛИ условно заменяются одновходовыми. Единственная линия входа таких элементов пересекается с несколькими линиями входных переменных. Если пресечение отмечено точкой, данная переменная подается на вход изображаемого элемента, если точки нет, то переменная на элемент не подается. Пример многовходового конъюнктора с входами х₁х₂х₃ показан на рис. 2.4,а. Схема на рис. 2.2,а в новом упрощенном изображении имеет вид, приведенный на рис. 2.4,б.

Рис. 2.4. Упрощенное изображение схемы многовходового логического элемента (а) и ПЛМ (б)

В качестве примера рассмотрим микросхему КР556РТ1, все связи в которой программируются электрически, путем пережигания нихромовых перемычек в режиме программирования. Выходные функции могут программироваться с активным высоким, либо с активным низким уровнями. Условное графическое изображение ИС КР556РТ1 приведено на рис. 2.5, а структурная схема на рис. 2.6. 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

Функциональная схема ИС КР556РТ1 рис. 2.7.

Рис. 2.5. Условное графическое обозначение ИС КР556РТ1

Структурная схема ИС КР556РТ1 представлена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Структурная схема ИС КР556РТ1

Рис. 2.7. Функциональная 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).

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.

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 Кi использует входную переменную Aj, то перемычка, соединяющая этот конъюнктор с шиной входной переменной Aj, должна быть расплавлена, и наоборот. Если переменная Aj не используется конъюнктором Кi, то обе перемычки входных переменных Aj 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.

В микропроцессорной технике ПЛМ наиболее широко используются для реализации микропрограммных устройств управления.

На ПЛМ можно проектировать как комбинационные, так и схемы с памятью.

Основные проблемы ПЛМ:

1) В вертикальных шинах Матрица “ИЛИ” может быть не больше 5-6 транзисторов.

2) Иногда к одной шине подключаются слишком много компонентов. При увеличении сложности матрицы задержка резко ухудшается.

Технологическая реализация:

Вначале делается матрица со всеми диодами и всеми транзисторами (используются плавкие перемычки). Определяются диоды, которые должны остаться. На горизонталь и вертикаль диодов, которые нужно удалить подается большое напряжение. Диод выгорает.

Контрольные вопросы:

1. Что такое мультивибратор.

2. Принцип работы, применение.

3. Что такое ПЛМ.

4. Принцип работы ПЛМ

5. Метод изготовления ПЛМ.

Список литературы

5. Радіотехніка: Енциклопедичний навч. Посібник/за ред.. Ю.Л. Мазора, Є.А. Мачуського, В.І. Правди. – К.: В. шк., 1999.- 838 с.

6. 33 схемы с логическими элементами И-НЕ: пер. с болг. – Л.: энергоатомиздат., 1988. – 112 с.

7. Шило В.Л. Функциональные аналоговые интегральные микросхемы. – М.: радио и связь, 1982. – 128 с.

8. Угрюмов Е.П. Цифрова схемотехника. – Спб.: Петербург: БХВ, 2004.- 528 с.