4.1. Программируемые логические матрицы и программируема матричная логика

Программируемые логические матрицы появились в середине 70-х годов прошлого века. Их основой служат последовательно включенные программируемые матрицы элементов И и ИЛИ (рис. 4.1.). В ПЛМ входят также блоки входных и выходных буферных каскадов.

Рис. 4.1. Базовая структура ПЛМ

Основными параметрами ПЛМ является число входов m, число термов L, и число выходов n.

Схема ПЛМ на вентильном уровне показана на рис. 2. Программируемые точки связей (ПТС) на рисунке обозначены «х».

Рис.4.2 Схема ПЛМ на вентильном уровне

Как следует из рис. 4.2, ПЛМ реализует дизъюнктивную нормальную форму воспроизводимых функций. Какие именно термы будут выработаны, и какие комбинации этих термов составят выходные функции, определяется программированием ПЛМ.

Выпускаются ПЛМ как на основе биполярной, так и МОП- технологии. ПТС реализуются на основе пережигаемых перемычек. В последнее время все чаще ПТС реализуются на МОП транзисторах с плавающим затвором, т. е. ПЛМ получается электрически перепрограммируемой.

Во многих случаях, например, при реализации большинства типичных для практики переключательных функций ПЛМ обладает излишней «логической мощностью», поэтому используют более простую логическую структуру, называемую программируемой матрицей логики (ПМЛ), которая представлена на рис. 3.

Рис. 4.3. Структура ПМЛ

В отличие от ПЛМ ПМЛ имеют матрицу элементов ИЛИ с уменьшенным числом входов, которые жестко подключены к определенным выходам матрицы элементов И, т. е. здесь существенно уменьшено число ПТС и, соответственно, функциональные возможности. Тем не менее, несмотря на это они находят применение в следствие более низкой стоимости и более простого программирования.

За рубежом ПМЛ получили широкое распространение. Примером может служить микросхема PAL 22V10. У этой микросхемы 10 выходов, различающихся числом подключенных к ним конъюкторов. Причем разные выходы имеют от 8 до16 конъюнкторов. Выходные функции вырабатываются не просто дизъюнкторами, а более сложными схемами, называемыми макроэлементами (макроячейками).

Схема каждого микроэлемента содержит D-триггер. Програми сование осуществляется путем пережигания перемычек. Причем любой из 10 программируемых выводов может быть использован и как вход и как выход.

4.3. Базовые матричные кристаллы

Первые образцы базовых матричных кристаллов (БМК) появились в 1975 г. как средство реализации нестандартных схем высокопроизводительной ЭВМ без применения микросхем малого и среднего уровней интеграции. Разработка БМК позволила выполнить и нетиповые части машины на БИС.

Стоимость проектирования БИС/СБИС велика и достигает десятков или даже сотен миллионов долларов. Поэтому производство таких микросхем становится рентабельным только при достаточно большом объеме их потребления. Хорошее решение было найдено на путях разработки БИС, функционирование которых может быть приспособлено к решению той или иной задачи на заключительных этапах их изготовления. При этом полуфабрикаты производятся массово без ориентации на конкретного заказчика. Такие БИС/СБИС называются полузаказными.

Основа БМК первого поколения – совокупность регулярно расположенных на кристалле базовых ячеек (БЯ), между которыми имеются свободные зоны для создания соединений – каналы. Такая архитектура называется канальной. Базовые ячейки занимают внутреннюю область БМК, в которой они расположены по строкам и столбцам, и содержат группы нескоммутированных схемных компонентов (транзисторов, резисторов и т. п.). В периферийной области кристалла размещены ячейки ввода/вывода, набор схемных компонентов которых ориентирован на реализацию связей БМК с внешними цепями.

Таким образом, БМК является заготовкой, которая преобразуется в требуемую схему путем выполнения необходимых соединений.

Первые БМК (фирмы Amdahl Corp., США) выполнялись посхемотехнике ЭСЛ, для которо полный процесс изготовления включал 13 операций с фотошаблонами. Соответственно сроки и стоимость проектирования получались в 3-5 раз меньше, чем для полностью заказных БИС/СБИС. Плата за сокращение – не оптимальность результата, т. к. часть их элементов оказывается избыточной, взаимное расположение элементов и их соединения не являются оптимальными.

Промышленное производство БМК широко развернулось с начала 80-х годов прошлого века. Применяются технологии КМОП, ТТЛШ, ЭСЛ и др. В настоящее время уровень интеграции БМК достиг десятков миллионов вентилей на кристалле.

При проектировании БМК стремятся наилучшим образом сбалансировать число базовых ячеек, трассировочные ресурсы кристалла и число контактных площадок для подключения внешних выводов. Для современных БМК может потребоваться до 500…1000 внешних выводов.

При описании БМК существуют следующие основные понятия и определения:

- базовая ячейка (БЯ) как некоторый набор схемных компонентов, регулярно повторяющийся на определенной площади кристалла. Базовые ячейки внутренней области БМК именуются матричными базовыми ячейками (МБЯ), ячейки периферийной зоны – периферийными базовыми ячейками (ПБЯ). Применяются два способа организации ячеек БМК:

1) из компонентов МБЯ может быть сформирован один логический элемент, а для реализации более сложных функций используется несколько ячеек;

2) из компонентов МБЯ может быть сформирован любой функциональный узел, а состав компонентов ячейки определяется схемой самого сложного узла.

- функциональная ячейка (ФЯ) – функционально законченная схема, реализуемая путем соединения компонентов в пределах одной или нескольких БЯ.

- библиотека ФЯ – совокупность ФЯ, используемых при проектировании схемы на основе БМК (МАБИС).

Параметры БМК можно разделить на четыре группы:

- функциональные возможности (число эквивалентных вентилей, тип БЯ, число МБЯ и ПБЯ, состав библиотеки ФЯ и т. п.);

- электрические параметры (уровни напряжений, кодирующих лог. сигналы, напряжения питания, потребляемые токи, задержки распространения сигналов, максимальные частоты переключений и т. п.)

- конструктивно-технологические (тип корпуса, число выводов, число уровней металлизации, площадь кристалла и др.)

- эксплуатационные характеристики.

В мире изготавливаются БМК с десятками миллионов эквивалентных вентилей, обладающих задержками не более 0,1…0,2 нс.

Изготовление БМК можно разделить на следующие семь укрупненных этапов:

- исходное описание проекта;

- формирование базы данных и карты заказа;

- моделирование и верификация;

- предварительный просмотр проекта;

- проектирование топологии и верификация;

- окончательный просмотр проекта;

- изготовление опытных образцов.

Стремление автоматизировать процесс разработки проекта привело к появлению специальных языков программирования БМК. Среди них наиболее популярны языки Verilog Hardware Description Languages (VHDL).

Среди СБИС БМК в настоящее время наиболее распространены микросхемы программируемой логики, выпускаемые фирмами Xilinx, Altera, Actel.