Программируемые логические матрицы (ПЛМ)

ПЛМ (рис. 6.26а) образована МОП-транзисторами, расположенными в кристалле в виде матрицы.

Рисунок 6.26– Программируемая логическая матрица (а) и выполняемая ей функция (б)

Соединения между затворами МОП-транзисторов и вертикальными и горизонтальными линиями выполняются изготовителем полупроводниковых приборов в процессе изготовления матрицы согласно указаниям заказчика. Поскольку для образования конкретной конфигурации соединений требуется всего одна маска, изготовленная по заказу, ПЛМ дешевы при выпуске достаточно крупными партиями, когда удорожание из-за изготовления на заказ маски соединений оказывается незначительным. Благодаря низкой стоимости и простоте изготовления ПЛМ получили широкое распространение и будут использоваться ещё интенсивнее в БИС и СБИС, в частности, в кристаллах для микропроцессоров, часов и игрушек.

В отличие от ПЗУ, которые при n адресных входах содержат дешифратор с 2ⁿ выходами, ПЛМ такого дешифратора не имеет. ПЛМ состоит из двух матриц: матрица И и матрица ИЛИ (рис 6.26а) и информация хранится в ПЛМ в форме логических выражений, в то время как в ПЗУ информация хранится в форме таблицы истинности. Поскольку в этом случае, как будет показано ниже, уменьшается избыточность информации, в ПЛМ обычно удаётся записать больше информации, чем в ПЗУ такого же размера.

Если соединения затворов МОП-транзисторов с линиями матрицы выполнены так, как показано на рис. 6.26а, точками, состояния выходов р₁, р₂ и р₃ матрицы И будут определяться переключательными функциями , , соответственно, поскольку р₁, р₂ и р₃ представляют собой выходы вентилей И-НЕ. При этом предполагается, что в схеме использованы n- МОП-транзисторы и отрицательная логика (отрицательная логика даёт удобную возможность получить дизъюнктивные формы входных функций f₁, f₂ и f₃. Если бы использовалась положительная логика, то р₁, р₂ и р₃ представляли бы собой выходы вентилей ИЛИ-НЕ и функции f₁, f₂ и f₃ выражались бы в конъюнктивной форме). Выходы f₁, f₂ и f₃ матрицы ИЛИ также представляют собой выходы вентилей И-НЕ, на входах которых действуют сигналы р₁, р₂ и р₃. Видно, что

(Следует отметить, что матрица И содержит инверторы входных сигналов x, y и z; в матрице ИЛИ таких инверторов нет).

Таким образом, две матрицы на рис. 6.26а образуют двухступенчатую логическую схему из вентилей И-НЕ. Из правил логического проектирования известно, что такую схему можно представить как комбинацию вентилей И в первой ступени и вентилей ИЛИ – во второй (рис 6.26б). Именно по этой причине верхняя и нижняя матрицы на рис. 6.26а носят названия И и ИЛИ соответственно. Вертикальные линии, проходящие через обе матрицы, называются линиями конъюнкций (линиями произведений), поскольку они соответствуют конъюнктивным членам (произведениям логических переменных), входящим в дизъюнктивные формы входных функций f₁, f₂ и f₃. Таким образом, с помощью ПЛМ можно реализовать любые комбинационные схемы из вентилей И и ИЛИ, образующих двухступенчатую структуру.

Как показано на рис. 6.27 на основе ПЛМ можно строить и последовательностные схемы. Здесь некоторые из входов матрицы ИЛИ соединены со входами триггеров, а их выходы, в свою очередь, соединены со входами матрицы И. На одной ПЛМ могут быть реализованы

Рис.6.27 – Последовательностная схема на ПЛМ

Одновременнонесколько последовательностных и комбинационных схем. В этом случае важно минимизировать количество используемых триггеров, т.к. они занимают на кристалле значительную площадь. По этой причине ПЛМ, поступающие на рынок, обычно содержат лишь несколько триггеров (чаще всего JK-триггеры).

Часто в ПЛМ предусматривается возможность получения либо прямого значения входной функции f_i,либо её отрицания, как показано в нижней части рис. 6.27. Оставив по одному соединению для каждой входной линии в местах, отмеченных крестиками, можно получить на любом выходе либо f_i,либо её отрицание. Часто оказывается, что, в то время как в дизъюнктивной форме функции f _i содержится слишком много конъюнктивных членов, чтобы реализовать её с помощью ПЛМ, инверсная ей функция состоит из гораздо меньшего числа членом и может быть легко реализована на ПЛМ.

В выпускаемых промышленностью ИС ПЛМ число входов и выходов обычно составляют 10-30, а число линий произведений составляет 50-150. Часто используются и большие ПЛМ.

Число линий произведений в ПЛМ обычно не превышает 150, так как в противном случае чрезмерно возрастает длина горизонтальных линий и связанная с этим паразитная ёмкость. Если к конкретной горизонтальной линии присоединены затворы большей части МОП-транзисторов, относящихся к данной строке, то источник соответствующего входного сигнала (или стоящий на входе инвертор) должен иметь слишком большой коэффициент разветвления по выходу. По тем же причинам полное число горизонтальных линий не может быть слишком большим. Другими словами, объём ПЛМ ограничивается требованиями быстродействия. В противоположность этому объём ПЗУ может быть очень большим, что достигается использованием либо нескольких дешифраторов, либо усложнённой схемой декодирования.

Наряду с ПЛМ с фиксированными соединениями существуют такие логические матрицы, программируемые потребителем (ППЛМ). В ППЛМ, изображённой на рис. 6.28, потребитель формирует требуемую схему соединений, пережигая короткие титано-вольфрамовые плавкие перемычки, включённые последовательно с диодами или биполярными транзисторами. Перемычки пережигаются пропусканием тока большой величины. В этом случае в кристалле должна быть специальная схема для пережигания перемычек, что увеличивает занимаемую площадь примерно на 40%. Сами перемычки тоже занимают определённую дополнительную площадь. При массовом выпуске ППЛМ обходятся дороже ПЛМ из-за отмеченной разницы в размерах, но, если потребителю требуется небольшое количество логических матриц, применение ППЛМ обходится заметно дешевле и оказывается более удобным т.к. они легко и быстро программируются самим потребителем. В отличие от ППЛМ, логические матрицы, описанные выше, называются ПЛМ с масочным программированием.

Разработаны ППЛМ, в которых ненужные соединения разрушаются лучом лазера. В этом случае размер кристалла оказывается меньше, чем для ППЛМ с плавкими перемычками, т.к. отпадает необходимость в схеме для пережигания перемычек, но зато требуется специальная лазерная установка.

Время срабатывания ППЛМ и ПЛМ составляет примерно 35-70 нс.

Предложены также схемы ПЛМ, в составе которых имеются энергонезависимые запоминающие устройства.