Огляд елементної бази, що застосовується для побудови логічних керуючих автоматів з паралельною архітектурою

 

Класифікація

 

Для побудови логічних керуючих автоматів з паралельною архітектурою використовують пристрої з регулярною архітектурою, які представляють собою набір стандартних елементів та вузлів, що інтегровані на одному кристалі. Існує багато різновидів таких пристроїв, але всі вони об’єднуються однією назвою – програмовані логічні інтегральні схеми.

Настроювання ПЛІС на виконання заданих функцій здійснюються користувачем шляхом вільного компонування цих елементів і вузлів програмним способом. Завдяки зазначеним особливостям ПЛІС в останні роки успішно завойовують ринок і в ряді предметних областей становлять гідну конкуренцію мікропроцесорам і мікроконтролерам. Залежно від використовуваної архітектури ПЛІС можуть бути класифіковані таким чином (рис. 1).

Структури ПЛІС мають високий рівень регулярності: основу кристала ПЛІС становить матриця однотипних функціональних вузлів, на базі яких користувач може створювати цілі системи керування складними технологічними об'єктами. Завдяки цьому ПЛІС характеризуються високою швидкодією і надійністю, а також широкими можливостями в частині резервування і діагностики.

Найбільш ефективними областями застосування ПЛІС є:

1. синтез (моделювання) нетрадиційних архітектур керуючих автоматів (навіть якщо надалі планується використання іншої елементної бази);

2. побудова надшвидкодіючих керуючих пристроїв;

3. реалізація автономних систем керування критичного застосування, до яких пред'являються жорсткі вимоги в частині забезпечення надійності, безпеки, електромагнітної сумісності й т.ін.

 

Рис. 1. Класифікація ПЛІС

 

Стандартні програмовані логічні пристрої (SPLD)

 

До перших ПЛІС, які з'явилися на початку 70-х років, відносяться програмовані постійні запам'ятовуючі пристрої (ППЗП – Programmable Read Only Memory – PROM). Перший час PROM використовували винятково для зберігання інформації, пізніше їх стали застосовувати для реалізації логічних функцій.

Структура PROM (рис. 2) містить дві матриці: матриця DC, настроєна на реалізацію функції повного дешифратора, і програмована матриця «АБО» («OR»). PROM дозволяє реалізувати логічні функції, представлені в довершеній диз'юнктивній нормальній формі.

Рис. 2. Структура ППЗП – Programmable Read Only Memory

 

З 1971 р. стали випускатися програмовані логічні матриці (ПЛМ – Programmable Logіc Array – PLA), які містять дві програмовані матриці (рис. 3), одна з яких настроєна на реалізацію функції «І» («AND»), а інша – функції «АБО» («OR»).

 

Рис. 3. Структура ПЛМ – Programmable Logic Array – PLA

 

Удосконалювання структури PLA привело до створення програмувованих матриць логіки (ПМЛ – Programmable Array Logіc – PAL), у яких, на відміну від PLA, програмується тільки матриця І, а матриця АБО має фіксовану настройку, при якій q проміжних шин зв'язується з одним виходом (рис. 4). Це дозволяє матрицю АБО реалізувати у вигляді сукупності q-входових дизъюнкторів. Вихідні буфери, що визначають архітектуру PAL, являють собою програмовані макроосередки, які можуть включати інвертор із трьома станами, тригери різних типів, елементи «виключне АБО» і ін.

 

Рис. 4. Структура ПМЛ – Programmable Array Logic – PAL

 

Описані вище структури ПЛІС відносяться до стандартних програмованих логічних пристроїв (стандартних ПЛП, Standard Programmable Logіc Devіces, SPLD).

 

Складні програмовані логічні пристрої (CPLD)

 

Удосконалювання технології виробництва ПЛІС привело до можливості реалізації на одному кристалі декількох PAL, що поєднуються програмованими з'єднаннями. Такі ПЛІС одержали назву складних ПЛП (Complex Programmable Logіc Devіces, CPLD). Узагальнена структура CPLD (рис. 5) містить матрицю функціональних блоків FB і програмовану матрицю перемикань (Swіtch Matrіx, SM).

 

Рис. 5 Структура CPLD

 

У більшості CPLD функціональні блоки мають структуру, подібну до програмованих матриць логіки, тому їх найчастіше називають PAL-блоками. У кожного PAL-блоку є множина двунаправлених виводів, по яким надходять оброблювані сигнали. Основні логічні перетворення виконуються в PAL-блоках, а матриця перемикань служить лише для передачі сигналів між ними. Також у структурі CPLD присутні спеціалізовані входи, зв'язані як з матрицею перемикань, так і з усіма PAL-блоками. Ці входи звичайно використовують для передачі глобальних сигналів синхронізації і керування пристроєм.