Самостоятельная работа 2 Тема : Состав и применение программируемых логических матриц

Упрощенный вид схемы запрограммированной логической матрицы
На рис. 5.89 многовходовые элементы «И» и «ИЛИ» изображены в виде одновходовых. Эта условность упрощает чтение схемы.
Основными параметрами ПЛМ являются: число входов; число выходов; число термов (в данном контексте число термов обозначает число логических операций матриц «И» и «ИЛИ», реализуемых в ПЛМ, т.е. число пережигаемых перемычек в структуре микросхемы); быстродействие (длительность цикла чтения информации).
Микросхемы программируемых логических матриц являются микросхемами высокой степени интеграции, на основе которых можно реализовать практически любую логическую функцию. Однако потребность в реализации сложных логических функций у разработчиков возникает не часто. Поэтому структуру ПЛИС можно упростить, увеличив быстродействие и степень загрузки микросхемы. Примером такого упрощения могут служить ПЛИС, в которых матрица элементов «И» является программируемой, а элементов «ИЛИ» — фиксированной (рис. 5.90). Такие микросхемы называют программируемой матричной логикой.

Рис. 5.90. Фрагмент схемы ПМЛ
Поскольку в ПМЛ матрица «ИЛИ» фиксирована, то появляется ограничение на максимальное число конъюнкций в логических функциях, что приводит к необходимости минимизировать логическую функцию при ее реализации с использованием ПМЛ.
Логические функции, реализуемые на выходе фрагмента схемы ПМЛ (см. рис. 5.90), имеют вид:

Рассмотренные схемы ПЛМ и ПМЛ являются базовыми. Для расширения их функциональных возможностей в состав схемы вводят дополнительные цифровые устройства, например программируемые буферные элементы, которые обеспечивают возможность получения выходных функций не только в прямом, но и в инверсном виде. В состав ПЛИС вводят также элементы памяти (триггеры), что существенно расширяет функциональные возможности программируемой логики.
БМК представляют собой матрицу электронных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов и т.д.), которые могут быть объединены в заданную схему с помощью матрицы соединений. Электронные компоненты, их которых состоит микросхема, называют базовыми ячейками (БЯ). Операция соединения БЯ по заданной схеме производится на заключительных этапах изготовления микросхемы с помощью дополнительного фотошаблона. В результате получается специализированная микросхема, стоимость которой невелика. Такие микросхемы хотя и обладают существенной избыточностью элементов, но удобны при разводке печатных плат, компактны, имеют высокий КПД.
Для дополнительного снижения стоимости микросхемы БМК производителями предлагаются наборы готовых решений объединения элементов базовых ячеек в функциональный узел (логический элемент, триггер, операционный усилитель и т.п.). В этом случае стоимость изготовления оригинального фотошаблона межячеичных соединений еще снижается. БМК могут быть как цифровыми, так и аналоговыми.
БМК можно разделить на два основных класса: канальные и беска- нальные. В канальных БМК базовые ячейки располагаются в центральной области кристалла и изолированы друг от друга. Области кристалла, не занятые электронными компонентами, служат для создания соединений между ячейками. Так как области межячеичных соединений довольно обширны (десятки процентов общей площади кристалла), контактные БМК имеют низкую плотность упаковки элементов. Такая структура характерна для БМК, выполненных по биполярной технологии, так как биполярные элементы, в отличие от КМОП-эле- ментов, обладают сравнительно высокой мощностью рассеивания.
В бесканальных микросхемах БМК вся внутренняя область кристалла заполнена базовыми ячейками, расположенными вплотную друг к другу, при этом любая область кристалла может быть использована для создания межячеичных соединений. Например, в БМК, содержащем массив транзисторов, в некоторых рядах реализуются логические элементы, а другие ряды используются под трассировочные каналы, в них транзисторы остаются нескоммутированными, и по ним проходят соединительные трассы. Бесканальные БМК имеют большую плотность расположения элементов, но не могут обладать высокой мощностью, поэтому бесканальная структура характерна для элементов КМОП-технологии.
По периметру кристалла микросхемы располагаются специализированные элементы ввода-вывода и контактные площадки для соединения схемы кристалла с внешними выводами на корпусе.
В настоящее время идет бурное развитие технологии изготовления микросхем БМК, разрабатываются новые типы матриц, трансформируются структуры микросхем. Например, появляются микросхемы БМК, программирование которых можно осуществлять не в процессе изготовления микросхемы, а с помощью программаторов.