Лекція 7 Програмовані логічні матриці 1.1 Матрична схема Матрична схема або логічна матриця являє собою сітку ортогональних провідників, у перетинах яких можуть бути установлені напівпровідникові елементи: діоди або транзистори, що ввімкненні через легкоплавкі перемички до відповідних провідників матриці. Під час програмування ці перемички або перепалюють, або залишають в залежності від схеми, яку треба реалізувати за допомогою матриці.

З матричної структури шляхом її програмування одержують заданий комбінаційний пристрій. Тому такі структури називаються комбінаційні програмовані логічні матриці (ПЛМ). ПЛМ, як правило, мають два схемотехнічних рівні: на одному з них утворюються потрібні конюнкції, а на другому – дизюнкції. Іноді одна з матриць може бути фіксованою. Обидві матриці зєднуються каскадно. Існують і послідовнісні ПЛМ, які у своєму складі містять певне число вбудованих елементів памяті. Такі ПЛМ характеризуються розрядністю регістра памяті.

Таким чином, на вертикальній лінії P N реалізується конюнкція змінних. Матриця конюнкцій М1 має перемички в місцях, зображених хрестиками, і реалізує функції конюнкції за формулами:

Матриця М2 має чотири вертикальні P 1 – Р 4 шини і дві горизонтальні. Спосіб включення транзисторів у перетинах шин дозволяє реалізувати на будь-якому з її виходів будь-яку дизюнкцію (функцію АБО) вхідних змінних. У матриці М2 вхідними є вертикальні шини, а вихідними – горизонтальні, де показано приклад реалізації елементарних дизюнкцій, що описується математичним виразом

Якщо зєднати обидві матриці М1 та М2, то одержана схема буде реалізувати систему бульових функцій Побудова схем з матричною структурою зводиться до визначення точок перетину шин, де повинні бути увімкнені напівпровідникові прилади.

Реалізації системи функцій матрицями М1 та М2 можна зобразити у вигляді таблиці програмування ПЛМ Таблиця програмування ПЛМ ВходиВиходи х1х1 х2х2 х3х3 у1у1 у2у –111 11–1. –11.1

На перетині j-го рядка і стовпця записуються: – 1, якщо змінна х е входить в j-ту елементарну конюнкцію без інверсії; – 0, якщо змінна х е входить в j-ту елементарну конюнкцію з інверсією; – риска (–), якщо змінна х е не входить в j-ту елементарну конюнкцію. На перетині j-го рядка і стовпця записуються: – 1, якщо j-та елементарна конюнкція входить в дизюнкцію y n ; – крапка (.), якщо j-та елементарна конюнкція не входить в дизюнкцію y n.

Складність матричної реалізації оцінюється сумарною ємністю (площею) матриць. У загальному випадку в схемі, що має L входів; N виходів та В вертикалей площа становить S(M) = S(M 1 ) + S(M 2 ) = 2LB + BN.

1.2 Дворівневі та трирівневі ПЛМ

Матриця М1 має S входів і q виходів. Вона дозволяє реалізувати q елементарних конюнкцій Р 1,..., Р q змінних х 1,... х S, які надходять на її входи. Матриця М2 має q входів і t виходів. Вона дозволяє реалізувати t елементарних дизюнкцій у 1,..., у t змінних Р 1,..., Р q, які надходять на її входи з виходів матриці М1. Виходи матриці М1 зєднані з входами матриці М2 й утворюють проміжні шини 1– q ПЛМ. ПЛМ, що має S входів, t та q проміжних шин називається ПЛМ (S, t, q). Різновидом ПЛМ (S, t, q) є їхня удосконалена модель: ПЛМ (Z, q). В ПЛМ (Z, q) фіксується лише два параметри: підсумоване число входів і виходів Z = S + t та число проміжних шин q. Параметри S і t можуть набувати будь-яких конкретних значень при програмуванні.

Трирівнева ПЛМ комбінаційного типу на відміну від дворівневої має додатковий S-вхідний блок Д.

Число виходів блока Д дорівнює числу h горизонтальних шин у матриці М1. Кожний і-й вихід зєднано з і-ю горизонтальною шиною цієї матриці. Блок Д може мати різноманітну внутрішню структуру. Наприклад, він може відігравати роль матриці М 0, яка дозволяє утворювати h елементарних дизюнкцій змінних х 1, х 2 …, які надходять на її входи і може використовуватися або з інверсією, або без інверсії. Найбільш часто блок Д складений з набору S/2 двовхідних повних дешифраторів. Такі матриці позначаються ПЛМД (S, t, q). Для ПЛМД (S, t, q) блок Д має S входів і 2S виходів, а число горизонтальних шин матриці М1 кратне чотирьом.

Входи кожного дешифратора – це входи блока Д, а чотири виходи кожного і-го з них зєднані з відповідними чотирма горизонтальними шинами і-ї групи матриці. Використання ПЛМД на відміну від ПЛМ дозволяє значно зменшити число проміжних шин для реалізації заданої системи бульових функцій, тобто реалізувати більш складні системи. Площа матриць М1 i М2 за цього використовується значно раціональніше.

Збільшення ефективності використання площі матриць ПЛМ привело до створювання структури, яка має наступні чотири особливості: – матриця поділена на дві частини – і. Матриця розміщена над матрицею М 2, а матриця – під матрицею М 2. Це дозволяє за необхідності розрізати проміжні шини в матриці М 2 та реалізувати на верхній та нижній частинах однієї проміжної шини різні елементарні конюнкції вхідних змінних; – входи матриць та розміщені з двох боків ліворуч та праворуч. Кожна горизонтальна шина або розрізається в одному місці і на одну її частину подається змінна з лівого боку матриці, а на другу – з правого; – виходи матриці М 2 розміщені з двох боків (зліва та справа). Кожна горизонтальна шина М 2 розрізається в одному місці і на першій її частині формується значення функції для лівого виходу М 2, а на другій – для правого;

– на кристалі ВІС ПЛМ передбачена спеціальна система шин, яка дозволяє зєднувати виходи першої матриці з входами другої. Розріз шин і організація необхідних звязків між входами та виходами різних матриць виконується на етапі налагоджування ПЛМ на виробництві. Завдяки значним успіхам інтегральної технології зявилася можливість реалізації ВІС з жорстокою тагнучкою структурами. Особливий практичний інтерес виявляється до програмованих гнучких структур. Серед них розрізняють ВІС, які придатні до програмування на етапі виготовлення, і ВІС, які можуть бути програмовані користувачем.

Перші з них – це мікросхеми, які називають незавершеними логічними матрицями. Програмують такі ПЛМ програмою замовника на виробництві на стадії занесення програми в матриці в процесі її виготовлення шляхом металізації ділянок матриці через спеціальну маску-шаблон. Після виготовлення інтегральної схеми з використанням маскових технологій перепрограмування неможливе. Другі ПЛМ поділяють на дві групи: ВІС, які можуть бути одноразово запрограмовані замовником або користувачем – це прості програмовані логічні матриці, a ВІС з багаторазовим перепрограмуванням – це перепрограмовані логічні матриці.

Більш зручними є перепрограмовані ЛМ (ППЛМ). Це стандартні готові мікросхеми – напівфабрикати, в яких активні елементи на початковій стадії ввімкнені на всіх перетинах матриць через ніхромові перемички. Такі ВІС програмують самі користувачі за допомогою спеціальних програматорів шляхом електродного випалювання перемичок імпульсом струму. При цьому, якщо змінна х і входить у терм Р і в прямій формі, перепалюють перемичку, що зєднує терм Р і з її інверсією, і навпаки. Якщо змінна х і та її інверсія не входять у терм Р і, перепалюють обидві перемички.

Вхід FE використовується тільки при програмуванні і називається вхід дозволу перепалювання, а вхід – CE дозвіл вибірки.

Недоліком ПЛМ є обмежені функціональні можливості. На базі ПЛМ можна будувати комбінаційні цифрові пристрої на досить простих принципах. Основним етапом розробки є складання таблиці програмування ПЛМ, яка є інструкцією процедури перепалювань непотрібних перемичок у матрицях. З метою розширення функціональних можливостей використання ПЛМ промисловістю випускаються її спрощені варіанти, наприклад, програмовані матриці вентилів, програмовані матриці логіки, програмовані мультиплексори і т.д. Будь-яка система Q з N бульових функцій L змінних, що описує поведінку комбінаційної схеми, може бути тривіально реалізована на одній ПЛМ (s, t, q), якщо виконуються вимоги L < s, N < t, B < q.