Лекція 27
Тема: Програмовані логічні інтегральні схеми (ПЛІС). Програмована матрична логіка (ПМЛ). Програмовані логічні матриці (ПЛМ).
План
Загальні відомості про ПЛІС.
Загальна структурна схема ПЛІС
Програмована матрична логіка (ПМЛ)
Програмовані логічні матриці (ПЛМ).
1. Загальні відомості про ПЛІС. Прилади програмувальної логіки, яскравими представниками яких є ПЛІС (програмовані логічні інтегральні схеми), застосовуються протягом декількох десятиліть для побудови різноманітних інтерфейсних вузлів, пристроїв керування, контролю і т.д. З появою швидкодіючих ПЛІС надвисокої інтеграції, що працюють на високих тактових частотах, їхня ніша на світовому ринку значно розширилася. Сучасні зразки ПЛІС, виконані по 0,22-мікронній технології, здатні працювати на частотах до 300 Мгц і реалізують до 3 млн. еквівалентних логічних вентилів. Настільки різке збільшення потужності ПЛІС дозволяє використовувати їх не тільки для реалізації простих контролерів і інтерфейсних вузлів, але і для цифрової обробки сигналів, складних інтелектуальних контролерів і нейрочипів. Поява швидкодіючих ПЛІС з наднизьким рівнем енергоспоживання відкриває широкі можливості по їх використанню в системах мобільного зв'язку (зокрема, безпосередньо в стільникових телефонах і пейджерах), у портативних програвачах (наприклад, у МР3-програвачах) і т.д.
Переваги програмувальних логічних інтегральних схем (ПЛІС):
по-перше, при створенні спеціалізованих логічних пристроїв розробник не обмежений можливостями наявної в його розпорядженні елементної бази – для більшості сучасних ПЛІС є бібліотеки, що містять усе необхідне, від найпростіших логічних елементів до мікропроцесорів;
по-друге, ПЛІС дозволяють скоротити терміни впровадження реалізованих на них пристроїв за рахунок спрощення процесу налагодження: розроблювач без сторонньої допомоги може багаторазово корегувати схему, не вносячи змін у друкований монтаж;
по-третє, застосування ПЛІС часто дозволяє істотно зменшити габарити апаратури в порівнянні з аналогічними пристроями, реалізованими на традиційних ВІС.
2. Загальна структурна схема пліс. Розглянемо загальне питання технічної реалізації системи фал, заданої у вигляді диз’юнктивної нормальної форми. Для цього розглянемо систему фал виду:
(27.1)
Число добутків в кожній функції обмежено величиною 2n, причому в граничному випадку кожний добуток (терм) є конституантою одиниці. Для отримання значення функції над усіма термами, що входять у вираз (27.1), необхідно виконати операцію диз’юнкції, тобто логічного додавання. У відповідності з цим, схема апаратної реалізації виразу (27.1) повинна містити послідовно підключені вхідний буфер, блок формування термів, блок диз’юнкції і вихідний буфер (рис. 27.1)
Рисунок 27.1 – Загальна структурна схема ПЛІС
В загальному випадку блок термів (кон’юнкції) є матрицею логічних елементів І, а блок диз’юнкції – матрицею логічних елементів АБО, тому послідовне з’єднання таких матриць в загальному випадку дозволяє реалізувати ФАЛ довільного типу. Отримання конкретних ФАЛ передбачає виконання певних з’єднань в матрицях елементів І та АБО.
Таким чином, змінюючи з’єднання елементів в матрицях І та АБО, можна налагоджувати властивості пристрою, що відповідає схемі 28.1. Практично можливі три варіанти налагодження:
постійна структура матриці І та програмуєма, змінна структура матриці АБО;
змінна структура матриці І та постійна структура матриці АБО;
змінна структура як матриці І, так і матриці АБО.
Кожному з цих варіантів відповідає свій тип ПЛІС.
Технічною реалізацією першого типу налагодження є репрограмований постійний запам’ятовуючий пристрій (РПЗП). Другий варіант налагодження ПЛІС реалізований в ІС програмованої матричної логіки (ПМЛ), і третій – в програмованих логічних матрицях (ПЛМ).
3. Програмована матрична логіка (ПМЛ). Програмована матрична логіка реалізує варіант програмування ПЛІС коли змінюється структура матриці І та залишається незмінною структура матриці АБО. Можливий варіант структурної схеми, що реалізує дане технічне рішення зображений на рисунку 27.2, де на перетині шин вхідних змінних xi та шин вхідних виводів елементів І умовно показано наявність всіх перемичок (/). Програмування ІС виконується усуненням зайвих з точки зору алгоритму, що реалізується, зв’язків між указаними шинами.
Рисунок 27.2. – Структурна схема ПМЛ.
4. Програмовані логічні матриці (ПЛМ). Програмовані логічні матриці реалізують варіант програмування ПЛІС коли змінюються структури обох матриць (І та АБО). Але не дивлячись на гнучкість такого рішення закордонні спеціалісти вважають, що даний тип ПЛІС досить складний для більшості споживачів з точки зору їх програмування. Крім того наявність програмованого з’єднання, наприклад плавкої перемички, в обох матрицях призводить до збільшення розмірів, зменшення надійності та швидкодії у порівнянні з ПМЛ.
Можливий варіант структурної схеми, що реалізує розглянутий принцип побудови ПЛІС, наведений на рисунку 27.3, де умовно показано наявність усіх перемичок.
Рисунок 27.3. – Структурна схема ПЛМ