Тема 10. Программируемые логические интегральные схемы

 

В настоящее время программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) принято делить на три больших класса: стандартные или классические ПЛИС (Standart PLD – SPLD), сложные ПЛИС (Complex PLD – CPLD) и программируемые пользователем вентильные матрицы (Field Programmable Gate Array – FPGA).

Структуру большинства SPLD модно представить в виде совокупности двух матриц: матрицы И и матрицы ИЛИ (рисунок 10.1). В структуру входят также блоки входных и выходных буферных каскадов.

 

 

Рисунок 10.1 – Базовая структура SPLD

 

Входные буферы, если не выполняют более сложных действий, преобразуют однофазные входные сигналы в парафазные, подаваемые на матрицу И, которая позволяет реализовать любые конъюнкции входных переменных. Выходы матрицы И соединены через промежуточную шину со входами матрицы ИЛИ, которая на выходах реализует дизъюнкции поступающих сигналов. Выходные буферы обеспечивают необходимую нагрузочную способность выходов и зачастую выполняют и более сложные операции.

В зависимости от того, какая матрица программируется пользователем, матрица И или матрица ИЛИ, SPLD принято делить на три класса: программируемые логические матрицы (ПЛМ – Programmable Logic Arrays – PLA), программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ – Programmable Read Only Memory – PROM) и программируемые матрицы логики (ПМЛ – Programmable Array Logics – PAL). В ПЛМ программируются обе матрицы: матрица И и матрица ИЛИ (рисунок 10.2). В ППЗУ матрица И при изготовлении реализует функцию полного дешифратора, а матрица ИЛИ – программируется пользователем (рисунок 10.3). В структуре ПМЛ наоборот, матрица ИЛИ имеет фиксированную настройку, а программируется только матрица И (рисунок 10.4). Расширение функциональных возможностей ПМЛ достигается за счет введения в матрицу И цепей обратной связи и использования в выходном блоке программируемых макроячеек. Макроячейки могут включать выходной инвертор с тремя состояниями, триггеры различных типов, вентили “исключающее ИЛИ” и др.

 

 

Рисунок 10.2 – Структура ПЛМ

 

 

Рисунок 10.3 – Структура ППЗУ

 

 

Рисунок 10.4 – Структура ПМЛ

 

Сложными ПЛИС (CPLD) принято называть микросхемы высокой степени интеграции, структура которых представляет собой совокупность нескольких функциональных блоков, подобных ПМЛ (PAL), объединяемых программируемыми межсоединениями (рисунок 10.5)

 

 

Рисунок 10.6 – Обобщенная структура CPLD

 

Типичная программируемая матрица межсоединений (ПМС – Programmable Interconnect Array – PIA) содержит сквозные вертикальные и горизонтальные линии связи и позволяет соединить выход любого функционального блока с любыми входами других блоков, обеспечивая их полную коммутируемость. Все связи идентичны, что дает хорошую предсказуемость задержек сигналов в связях – важное достоинство, облегчающее проектирование и изготовление работоспособных схем высокого быстродействия. В самих линиях число программируемых ключей мало, но многие из ключей могут быть не задействованы, и система коммутации с единой матрицей требует в целом наличия в ней большого числа ключей.

Программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA) имют типичную структуру канального базового матричного кристалла. В их внутренней области размещается множество регулярно расположенных идентичных конфигурируемых (настраиваемых) логических блоков (КЛБ – Configurable Logic Blok – CLB), между которыми проходят вертикальные и горизонтальные трассировочные каналы, а на периферии кристалла расположены блоки ввода-вывода (БВВ – Input/Output Blok – IOB).

В качестве логических блоков FPGA используются:

– транзисторные пары, простые логические вентили И-НЕ, ИЛИ-НЕ и т.п.

– логические модули на основе мультиплексоров;

– логические модули на основе ППЗУ.

Важными характеристиками логических блоков является их “зернистость” и “функциональность”. Первое свойство связано с тем, насколько “мелкими” будут те части, из которых можно собирать нужные схемы путем установления программируемых соединений, второе – с тем, насколько велики логические возможности логического блока. Примером наиболее мелкозернистого может служить блок, содержащий цепочки МОП транзисторов с p- и n-каналами, между которыми имеются трассировочные каналы, в которых могут быть реализованы необходимые межсоединения элементов. Более крупнозернистые блоки содержат функционально законченные узлы с фиксированными внутренними соединениями. Например, блок в виде универсального логического модуля, содержащий три мультиплексора “2→1” и элемент ИЛИ и имеющий 8 входов. Варьируя подачу на входы блока логических переменных и констант, можно реализовать все функции двух и трех переменных, многие функции четырех переменных и некоторые функции большего числа переменных, в совокупности 702 логические функции.

Мелкозернистость блока ведет к большей гибкости его использования, возможностям реализовать логические функции разными способами, но усложняет систему межсоединений FPGA в связи с большим числом программируемых точек связи.

Линии соединений в FPGA обычно сегментированы, т.е. составлены из проводящих участков, не содержащих ключей, различной длины, соединяемых друг с другом программируемым элементом связи (ключом). Короткие участки затрудняют реализацию длинных связей, длинные – коротких, поэтому в FPGA применяется иерархическая система связей с несколькими типами межсоединений для организации передачи сигналов на разные расстояния. Целью создания системы является обеспечение максимальной коммутируемости логических блоков при минимальном количестве ключей и задержек сигналов, а также их предсказуемость, облегчающая проектирование быстродействующих устройств.

Стремление разработчиков объединить достоинства линии СPLD и линии FPGA направлений привело к созданию ПЛИС смешанной (комбинированной) архитектуры. Рост уровня интеграции дал возможность размещать на кристалле схемы, сложность которых соответствует целым цифровым системам. Такие схемы именуются SOC (System On Chip) и содержат, наряду с программируемой логикой, специализированные области с заранее определенными функциями и связями– аппаратные ядра, например ОЗУ, вычислительные процессоры и т.п.