Средства программируемой матричной логики

Программируемые логические матрицы

Успехи в области интегральной технологии обеспечили возможность разместить в одной БИС многие тысячи элементов, повысить надежность работы электронных устройств и быстродействие, снизить потребляемую мощность и габариты. Однако при этом возник вопрос: как на схемах с таким количеством элементов изготавливать устройства, решающие различные задачи?

Казалось бы, естественно изготавливать специализированные БИС, предназначенные для решения конкретной задачи. Но проектирование таких БИС — дорогой и трудоемкий процесс, поэтому их изготовление экономически оправдано лишь при массовом производстве.

Выходом из создавшегося положения явились программируемые схемы с матричной структурой. Такие схемы представляют собой набор элементов и узлов, не связанных между собой. Для создания конкретного устройства элементы соединяются на заключительном этапе изготовления — в соответствии с заказом, или программируются самим пользователем. Фрагменты схемы соединяются либо созданием, либо устранением перемычек, подобно тому, как это делается при программировании ЗУ.

Первыми из таких устройств были созданные в середине 1970;х гг. программируемые логические матрицы (ПЛМ), обеспечивающие реализацию различных логических функций. Матрица — это сетка взаимно перпендикулярных проводников (рис. 4.27), в местах пересечения которых находятся полупроводниковые элементы — диоды или транзисторы, включенные через легкоплавкие перемычки к проводникам матрицы. При программировании ненужные перемычки пережигаются импульсами тока.

Рис. 4.27. Программируемые логические матрицы:

а — матрица И; б — матрица ИЛИ Рассмотрим, какие функции реализует матрица А7,. Если на горизонтальную шину подана лог. 1 (высокий потенциал), то диод будет заперт, и ток через R не течет. Падение напряжения на R отсутствует, и на вертикальной шине, соединенной с анодом запертого диода, остается высокий потенциал, соответствующий лог. 1. Если же на горизонтальной шине низкий потенциал (лог. 0), то протекающий через R и открытый диод ток создаст падение напряжения на R и на вертикальной шине будет лог. 0. Для сохранения на вертикальной шине матрицы M1 высокого потенциала, необходимо, чтобы все диоды этой шины были заперты, т. е. на всех входах была лог. 1. Таким образом, на вертикальных шинах реализуется операция «И» от аргументов, помеченных крестиками, и матрицу М1 называют матрицей И. В приведенном примере на выходах Рi реализуются функции:

Конъюнкции, образующиеся на выходах матрицы И, называют термами.

Выясним, какие функции реализует матрица М2 (см. рис. 4.27, б). Если на вертикальной шине высокий потенциал (лог. 1), то транзистор открыт и высокий потенциал +Е через него поступает на горизонтальную шину у, т. е. на пей будет лог 1. Если транзистор закрыт (на базе потенциал лог. 0), то на шине у будет потенциал корпуса — лог. 0. Очевидно, что открытие любого из транзисторов приводит к появлению на горизонтальной шине у потенциала лог. 1, поэтому на ней реализуется функция «ИЛИ» от входных переменных Рi, помеченных крестиками. Так как каждая из переменных Рi реализует операцию «И» над аргументами х, то в итоге на выходах у реализуются функции:

и.

Таким образом, ПЛМ осуществляет реализацию дизъюнктивной нормальной формы логических функций и используются для аппаратной реализации логических функций. Основными параметрами ПЛМ являются число входов аргументов х, число выходов у и число термов (переменных Р), которые могут входить в выходную функцию у.

Обычно наряду с матрицами И и ИЛИ в состав микросхемы ПЛМ входят блоки входных и выходных буферных каскадов. Входные буферы, кроме прямого и инверсного представления значений аргументов х, формируют необходимую мощность сигналов для питания элементов матрицы И. Выходные буферы обеспечивают необходимую нагрузочную способность выходов, разрешают или запрещают выход ПЛМ на внешние шины в зависимости от состояния входного сигнала разрешения, аналогичного сигналу СЕ, используемому в ЗУ.

ПЛМ могут выполняться как на биполярных, так и на МОП-транзисторах. В последнем случае матрица М1 выполняет функцию «И-НЕ», а матрица М2 — функцию «ИЛИ-НЕ». Программирование ПЛМ заключается в пережигании перемычек, соединяющих горизонтальные и вертикальные шины матриц, которое выполняется на специальных устройствах — программаторах. В исходном состоянии все перемычки целы. Если в переменную Р входит прямое значение аргумента х, то пережигается перемычка, соединяющая вертикальную шину Р с инверсной горизонтальной шиной, если значение аргумента инверсное — то с шиной, передающей прямое значение аргумента. Если аргумент не участвует в формировании переменной, пережигаются обе перемычки. Если переменная Р входит в функцию у, то перемычка сохраняется, в противном случае — пережигается.