Программируемые логические матрицы и программируемая матричная логика

Первыми представителями микросхем с программируемыми структурами явились ПЛМ (программируемые логические матрицы), ПМЛ (программируемая матричная логика) и БМК (базовые матричные кристаллы). «Предками» БИС/СБИС программируемой логики следующих поколений в первую очередь можно считать ПМЛ и БМК.

Основу типичных ПМЛ, называемых в английской терминологии PAL (Programmable Array Logic) или GAL (Generic Array Logic), составляют программируемая матрица элементов И и набор элементов ИЛИ, ко входам которых подключены выходы матрицы И. Условное изображение основной части ПМЛ (рис. 7.5.) показано для варианта с m входами, n выхода­ми и р термами. Матрица элементов И состоит из р конъюнкторов, на входы каждого из которых поданы все m входных переменных как в прямой, так и в инверсной форме.

Сокращенное условное обозначение схем типа рис. 7.5 показано на рис. 7.6. В этом обозначении многовыходные элементы И изображаются с одной входной линией, пере­секающей множество линий входных переменных. Линии, подключаемые к конъюнкторам, отмечены точками. Терм t₁, например, содержит переменные x₁, и (остальные переменные на рисунке не показаны), а терм t₂ содержит переменные и (осталь­ные переменные также не показаны). Тер м t_к= 0, так как содержит логическое произведе­ние , равное нулю. Такой терм не влияет на вырабатываемую функцию F₁.

Обобщенная структура ПМЛ приведена на рис. 7.7, где помимо рассмотренных выше основных блоков М_И и набора дизъюнкторов показаны также входной и выходной буфе­ры Б_Вх и Б_Вых. Входной буфер преобразует однофазные входные сигналы в парафазные, необходимые для матрицы И, а выходной буфер формирует сигналы, необходимые для передачи во внешнюю среду. Во многих ПМЛ выходной буфер в зависимости от его про­граммирования может формировать прямые или инвертированные величины воспроиз­водимых функций.

Используя обратные связи с выхода ПМЛ на входы матрицы И, можно воспроизво­дить скобочные (факторизованные) формы логических функций, что увеличивает фун­кциональные возможности ПМЛ. Рассмотрим простой пример. Пусть требуется получить функции суммы S и переноса С для одноразрядного сумматора, входами которого явля­ются слагаемые а и b и входной перенос с. Искомые функции в дизъюнктивной нормаль­ной форме выражаются следующим образом:

S = и С = .

При воспроизведении этих функций требуется выработка семи термов (четырех для функции S и трех для функции С). Вынося за скобки величину с для первой пары слагае­мых и с для второй, получим

S= , где f =

Функцию переноса можно записать в виде

C = .

Реализация полученных факторизованных соотношений требует выработки всего пяти термов. Схема реализации (рис. 7.8) предусматривает выработку вначале функции f и затем ее использование в качестве одного из аргументов функций S и С. Задержка выра­ботки результата возрастает.

В рассмотренной схеме один из выходов матрицы ИЛИ не требует внешнего вывода (является скрытым). Такие конфигурации (наличие обратных связей и скрытых выходов) широко встречаются в микросхемах программируемой логики. Они характерны для ряда типовых узлов цифровой техники, например, счетчиков.

Схемотехническая реализация программируемых соединений первого поколения осу­ществлялась с помощью плавких перемычек (типа fuse) или цепочек из двух встречно вклю­ченных диодов. У таких цепочек начальная проводимость близка к нулю, а при пробое одно­го из диодов со сплавлением его электродов цепочка приобретает одностороннюю проводи­мость. Позднее появились более совершенные программируемые соединения.

В схемотехнике, использующей МОП-транзисторы, базовыми элементами служат, как правило, элементы ИЛИ-НЕ, на которых строятся как программируемая матрица, так и элементы, формирующие выходные функции из сигналов, получаемых от программиру­емой матрицы.

Функциональные возможности биполярных и МОП-структурных ПМЛ принципиально сходны. Это можно показать с помощью правил де Моргана. Действительно, терм в МОП-структурной ПМЛ вида a b с равноценен терму abc, т. е. относительно инвертированных переменных этим термом воспроизводится конъюнкция. Функция a b c отличается от функции ИЛИ только инверсией. Следовательно, на основе элементов ИЛИ-НЕ реали­зуются ПМЛ с функциональными характеристиками, совпадающими с функциональными характеристиками биполярных ПМЛ на элементах И, ИЛИ, если иметь в виду инвертиро­ванные входные и выходные величины.

С течением времени функциональные возможности ПМЛ обогащались. Тракты обра­ботки выходных сигналов матрицы элементов И усложнились и место простых дизъюнкторов заняли так называемые макроэлементы (макроячейки), в которых появились не толь­ко дополнительные логические элементы, но и триггеры с разнообразными вариантами функционирования.