Dasturlanuvchi mantiqiy qurilmalar. Ma’ruza №7

1.

MA’RUZA № 7. DASTURLANUVCHI MANTIQIY QURILMALAR
Reja:
1. Dasturlanuvchi mantiqiy integral sxema (DMIS);
2. DMIS larning qo‘llanilish sohasi va turlari;
3. Dasturlanuvchi mantiqiy matritsa (DMM).
Dasturlanuvchi mantiqiy integral sxema. Dasturlanuvchi mantiqiy
integral sxema(FPGA, ingl. Programmable logic device, PLD) - konfiguratsiya
qilinadigan raqamli elektron sxemalarni yaratish uchun ishlatiladigan elektron
komponent. An'anaviy raqamli mikrosxemalardan farqli o'laroq, DMIS ishining
mantig'i ishlab chiqarish vaqtida aniqlanmaydi, balki dasturlash (dizayn) orqali
o'rnatiladi. Dasturlash uchun dasturchi va IDE (disk raskadrovka muhiti)
ishlatiladi, bu sizga raqamli qurilmaning kerakli tuzilishini elektron sxema yoki
maxsus apparat tavsifi tillarida dastur shaklida o'rnatish imkonini beradi: Verilog,
VHDL, AHDL va boshqalar. Muqobil DMIS -lar:
- dasturlash uchun zavod ishlab chiqarish jarayonini talab qiladigan asosiy
matritsa kristallari (BMC);
- ASIC- kichik o'lchamli va bitta bo'lakli ishlab chiqarish uchun ancha
qimmat bo'lgan maxsus ixtisoslashtirilgan yirik integral mikrosxemalar (KIS);
- algoritmlarning dasturiy ta'minoti tufayli DMIS -ga qaraganda sekinroq
ishlaydigan maxsus kompyuterlar, protsessorlar (masalan, raqamli signal
protsessori) yoki mikrokontrollerlar;
-ilgari ma'lum bo'lgan muammolarni hal qilish uchun tuzilgan,
dasturlashtirilmaydigan raqamli qurilmalar va tizimlar, bu printsiplar asosida
qurilgan. "qattiq mantiq".
Ba'zi ishlab chiqaruvchilar DMIS -lari uchun dasturiy protsessorlarni taklif
qilishadi, ularni ma'lum bir vazifa uchun o'zgartirish mumkin va keyin DMIS larga o'rnatish mumkin. Shunday qilib:
- bosilgan elektron kartada bo'sh joyning ko'payishi ta'minlanadi (taxta
hajmini kamaytirish imkoniyati);
- DMIS dizaynining o'zi soddalashtirilgan;
- DMIS ishlashi oshadi.
DMISni oyihalash bosqichlari:
1. Uskunani tavsiflovchi maxsus tillarda sxemani yoki dasturni o'rnatish:
Verilog, VHDL, AHDL va boshqalar.
2. Sintezator dasturlari yordamida mantiqiy sintez (apparat tavsifi tilida
yozilgan mavhum modeldan elektr ulanishlar ro'yxatini (matn shaklida) qilish).
3. DMIS mikrosxemasi va boshqa elektron komponentlar (rezistorlar,
kondensatorlar, generatorlar, ARO‘ lar, ulagichlar va boshqalar va hokazo)
joylashadigan qurilmaning pechatli platasini avtomatlashtirilgan loyihalash tizimi
(Altium Designer, P-CAD va h.) yordamida loyihalash.
4. DMIS konfiguratsiya faylini yaratish.

2.

5. Faylni DMIS mikrosxemasiga yoki alohida konfiguratsion xotira
mikrosxemasiga yuklash. Konfiguratsiyani yuklash natijasida DMIS mikrosxemasi
belgilangan funktsiyaga ega bo'ladi.
DMIS qo‘llanilish sohasi. DMIS lar har xil murakkablik va imkoniyatlarga
ega raqamli qurilmalarni yaratish uchun keng qo'llaniladi, masalan:
- ko'p sonli kirish-chiqish portlari bo'lgan qurilmalar (1000 dan ortiq
chiqadigan DMIS lar mavjud ("pinlar"));
- signallarni raqamli qayta ishlashni amalga oshiruvchi qurilmalar (SRQI);
- raqamli video audio uskunalar;
- ma'lumotlarni uzatishni yuqori tezlikda bajaradigan qurilmalar;
- kriptografik operatsiyalarni bajaruvchi qurilmalar, axborot xavfsizligi
tizimlari;
- maxsus maqsadli integral mikrosxemalarni (ASIC) loyihalash va
prototiplash uchun mo'ljallangan qurilmalar;
- har xil mantiq va quvvat kuchlanishli tizimlar o'rtasida ko'prik
(kommutator) vazifasini bajaruvchi qurilmalar;
- neyrochiplarni amalga oshirish;
- kvant hisoblash simulyatsiyasini bajaruvchi qurilmalar;
- radar ma'lumotlarini qayta ishlash qurilmalari.
DMIS turlari:
- Dastlabki DMIS. 1970 yilda «TI»kompaniyasi «IBM» firmasining
assotsiativ ROM(ROAM) ga asoslangan niqoblangan (ya’ni, niqob yordamida
Dasturlanuvchi, ingl. mask-programmable) integral mikrosxemalarni (keyinchalik
IC) ishlab chiqdi. Ushbu mikrosxemalar TMS2000 deb nomlangan va integral
mikrosxemani (IC) ishlab chiqarish jarayonida metall qatlamlarni bir -biriga
yopishtirib dasturlashtirilgan. TMS2000 xotira sifatida 8 ta JK-triggerli 17 ta kirish
va 18 ta chiqishga ega edi. Ushbu qurilmalar uchun «TI» kompaniyasi PLA
atamasini kiritdi – ingl. programmable logic array - Dasturlanuvchi mantiq
matritsasi.
- PAL (ingl. programmable logic array) - bu mantiqning Dasturlanuvchi
massivi (matritsasi). Ilgari, PLA va PLM farq qilmagan va PLM (Dasturlanuvchi
mantiqiy matritsa) sifatida belgilangan. PLA va PLM o'rtasidagi farq - bu ichki
tuzilmani (matritsalarni) dasturlashning mavjudligi.
- GAL (ingl. generic array logic) - bu Dasturlanuvchi VA matritsali va sobit
YOKI matritsali FPGA.
- CPLD (ingl. complex programmable logic device) - murakkab
Dasturlanuvchi mantiqiy qurilmalar nisbatan katta Dasturlanuvchi mantiq
bloklarini - tashqi chiqish va ichki shinalarga ulangan makroyacheykalarni o'z
ichiga oladi (7.1 -rasm). CPLD funktsiyasi doimiy xotirada kodlangan, shuning
uchun ularni qayta ishga tushirishning hojati yo'q. U katta kristallar yaqinidagi
kirish -chiqish sonini kengaytirish yoki signalni oldindan qayta ishlash uchun
ishlatilishi mumkin (masalan, COM port boshqaruvchisi, USB, VGA).

3.

7.1-rasm. «Altera» kompaniyasining CPLD turidagi DMISi, «MAX 7128»
modeli.
FPGA (ingl. field-programmable gate array)-larda signallarni qayta
ishlashda (DSP, ingl. digital signal processing) keng qo'llaniladigan ko'paytirish
bloklari, shuningdek, mantiq elementlari (odatda qidiruv jadvallari-haqiqat
jadvallari) va ularning kommutator birliklari mavjud. FPGA odatda signallarni
qayta ishlash uchun ishlatiladi, mantiq elementlari ko'proq va CPLDlarga
qaraganda moslashuvchan arxitekturaga ega. FPGA dasturi tarqatilgan xotirada
saqlanadi, uni statik operativ xotiraning uchuvchan hujayralari asosida ham
bajarish mumkin (bunday mikrosxemalar, masalan, "Xilinx" va "Altera" firmalari
tomonidan ishlab chiqariladi) - bu holda, mikrosxemaning quvvat manbai
yo'qolganda yoki uchuvchan bo'lmagan flesh xotira xujayralari yoki antifuzik o'tish
moslamalariga asoslangan dastur saqlanmaydi (bunday mikrosxemalar Actel va
Lattice Semiconductor tomonidan ishlab chiqariladi) - bu holda, dastur saqlanadi.
elektr ta'minoti ishlamayapti. Agar dastur o'zgaruvchan xotirada saqlansa, u holda
har safar mikrosxemani yoqilganda, uni yuklash vositasi yordamida qayta sozlash
kerak, uni FPGA -ga o'rnatish mumkin.Sekinroq raqamli signal protsessorlari
FPGA -larga alternativa. FPGA -lar, shuningdek, superkompyuterlarda umumiy
maqsadli protsessor tezlatgichlari sifatida ishlatiladi (masalan, Cray's Cray XD1
kompyuteri, Silicon Graphics -ning RASC loyihasi (SGI)).
PLD ning asosiy afzalligi - rivojlanishning past vaqti va egiluvchanligi.
VLSI PLD -dagi zamonaviy dizayn vositalari va texnologiyalaridan foydalangan
malakali muhandis bir kunda funktsional ravishda qurilmani tasvirlab berishi va
disk raskadrovka qilishi mumkin, buning uchun o'nlab an'anaviy mikrosxemalar
"tarqalishi" kerak bo'ladi. Biroq, PLD ning haqiqiy dasturlashi atigi bir necha
daqiqa davom etadi. Shu tarzda olingan ixtisoslashtirilgan VLSI tezlik, quvvat sarfi
va ishonchlilik bo'yicha eng qat'iy talablarga javob beradi.
Dasturlanuvchi mantiqiy matritsa. PLA printsipi PROMga o'xshaydi,
faqat PLA o'zgaruvchilarning to'liq dekodlanishini ta'minlamaydi va barcha
minimal qiymatlarni yaratmaydi. Dekoderning o'rnini VA elementlari majmuasi
egallaydi, ularni kirish o'zgaruvchilari mahsulotlarining istalgan muddatini yaratish
uchun dasturlash mumkin. Mahsulot shartlari YOKI elementlari bilan bog'lanib,
kerakli bull funktsiyalari uchun mahsulot yig'indisini oladi.
Uch kirish va ikkita chiqishga ega bo'lgan ichki PLA mantig'i 7.2-rasmda
ko'rsatilgan. Bu tartib tijorat maqsadlarida foydalanish uchun juda kichik, lekin bu
erda PLA mantiqiy konfiguratsiyasini ko'rsatish uchun taqdim etilgan. Sxemada
murakkab sxemalar uchun mantiqiy grafik belgilar majmuasi ishlatiladi. Har bir

4.

kirish bufer-inverter kombinatsiyasidan o'tadi, bu diagrammada ham haqiqiy, ham
yordamchi chiqishga ega bo'lgan grafik belgisi bilan ko'rsatilgan.Vertikal va
gorizontal chiziqlar orasidagi kesishmalarda ko'rsatilgandek, har bir kirish va uni
to'ldiruvchi har bir VA mantiqiy elementining kirishiga ulanadi. VA
elementlarining chiqishlari har bir YOKI -elementning kirishiga ulanadi. YOKI
elementi chiqishi XOR elementiga yo'naltiriladi, bu erda boshqa kirishni mantiq 1
yoki mantiq 0 ga teng signalni qabul qilish uchun dasturlash mumkin. XOR usuli 1
ga ulanganda chiqish teskari bo'ladi (chunki x {1 = x). XOR usuli 0 ga ulanganda
chiqish o'zgarmaydi (chunki x {0 = x). 7.2-rasmda alohida mantiqiy funktsiyalar
PLAda bajarilgan:
F1 =AB’ +AC +A’BC’
F2 = (AC +BC)’
7.2-rasm. PLA uchta kirish va ikkita chiqish bilan ishlashning to’rt sharti.
Har bir VA shlyuzida hosil qilingan mahsulot shartlari diagrammada
element chiqishida keltirilgan, mahsulot shartlari kesishish nuqtalari bog'langan va
*bilan belgilangan kirishlar bo'yicha aniqlanadi. YOKI elementi chiqishi tanlangan
mahsulot shartlarining mantiqiy yig'indisini beradi. Chiqish amalga oshiriladigan
mantiqqa qarab, to'ldirilishi yoki asl shaklida qoldirilishi mumkin.
PLA himoyalagichlar xaritasini jadval shaklida ko'rsatish mumkin. Masalan,
PLA ni aniqlaydigan dasturlash jadvali 7.1 -jadvalda keltirilgan. PLA dasturlash
jadvali uchta bo'limga bo'lingan. Birinchi bo'limda asarlar shartlari raqamli shaklda
keltirilgan. Ikkinchi bo'limda kirish va VA shlyuzlari orasidagi kerakli yo'llar
ko'rsatilgan.Uchinchi bo'lim VA va YOKI elementlari orasidagi yo'llarni
belgilaydi. Har bir chiqish o'zgaruvchisi uchun biz XOR shlyuzini dasturlash
uchun T (to'g'ri) yoki C (qo'shimcha uchun) bo'lishi mumkin. Chapda sanab
o'tilgan asarlar shartlari jadvalga kirmaydi; ular faqat ma'lumot uchun kiritilgan.
Har bir mahsulot muddati uchun kirish 1, 0 yoki - (chiziqcha) bilan belgilanadi.
Agar mahsulot terminidagi o'zgarmaydigan to'g'ri ko'rinishda bo'lsa, mos keladigan
kirish o'zgaruvchisi 1 deb belgilanadi. Agar u kengaytirilgan ko'rinsa, mos

5.

keladigan kirish o'zgaruvchisi 0 deb belgilanadi. Agar mahsulot o’zgaruvchisida
o’zgaruvchi bo’lmasa chiziqcha bilan belgilanadi.
7.1 -jadval. PLA dasturlash jadvali.
Eslatma: chiziq qiymatlari uchun matnga qarang.
Kirish va VA shlyuzlari orasidagi yo'llar dasturlash jadvalidagi "Kirishlar"
sarlavhasi ostida keltirilgan. Kirish ustunidagi 1 kirish o'zgaruvchisidan VA
shlyuziga ulanishni bildiradi. Kirish ustunidagi 0 o'zgaruvchining to'ldirilishidan
VA elementi kirishiga ulanishni ko'rsatadi. Chiziq kirish o'zgaruvchisida ham,
uning to'ldiruvchisida ham yonib ketgan himoyalagich ekanligini ko'rsatadi. AND
darvozasi kirishidagi ochiq terminal 1 kabi ishlaydi deb taxmin qilinadi.
VA va YOKI shlyuzlari orasidagi yo'llar "Chiqish" ustun sarlavhasi ostida
keltirilgan. Chiqish o'zgaruvchilari funktsiyaga kiritilgan mahsulotlarning shartlari
uchun 1 raqamlari bilan belgilanadi. Chiqish ustunida 1 ga ega bo'lgan har bir
mahsulot muddati VA shlyuzining chiqishidan YOKI shlyuzining kirishiga yo'lni
talab qiladi. Chiziqqa ega bo'lganlar himoyalagich yonib ketganligini ko'rsatadi.
OR elementi kirishidagi ochiq terminal 0 kabi ishlaydi deb taxmin qilinadi.
Nihoyat, T (haqiqiy) chiqishi tegishli XOR shlyuzining boshqa kirishi 0 ga ulanishi
kerakligini belgilaydi va C (qo'shimcha) 1 ga ulanishni aniqlaydi.
PLA hajmi kirishlar soni, ishlar shartlari soni va chiqishlar soni bilan
belgilanadi. Odatda PLA ICda 16 ta kirish, 48 ta bo'lak va sakkizta chiqish bo'lishi
mumkin. n kirish, k mahsulot shartlari va m chiqishlari uchun ichki PLA mantig'i
inverter buferining n kirishi, k VA ning kirishi, m YOKI shlyuzi va m XOR
shlyuzidan iborat. Kirish va VA massivi o'rtasida 2n * k ulanish, VA va YOKI
qatorlar orasidagi k * m ulanishlar va XOR shlyuzlari bilan bog'liq m ulanishlar
mavjud.
PLA bilan raqamli tizimni loyihalashda, 7.2-rasmda ko'rsatilgandek,
qurilmaning ichki ulanishlarini ko'rsatishning hojati yo'q. PLA dasturlash jadvali
kifoya qiladi, undan PLA kerakli mantiqni ta'minlash uchun dasturlashtirilishi
mumkin. ROMda bo'lgani kabi, PLA niqob bilan dasturlashtirilishi mumkin yoki
maydonda dasturlashtirilishi mumkin. Niqobni dasturlashda xaridor PLA dasturi
jadvalini ishlab chiqaruvchiga o'tkazadi.Bu jadval sotuvchi tomonidan mijoz
ko'rsatganidek ichki mantiqqa ega bo'lgan maxsus PLA yaratish uchun ishlatiladi.
PLA -ning ikkinchi turi - bu dala Dasturlanuvchi mantiqiy massiv yoki FPLA, uni
foydalanuvchi tijorat apparat dasturchisi yordamida dasturlashi mumkin.

6.

PLA bilan kombinatsion sxemani amalga oshirayotganda, mahsulotning
individual shartlari sonini kamaytirish uchun sinchkovlik bilan tekshirish kerak,
chunki PLAda VA shlyuzlari soni cheklangan. Buni har bir mantiqiy funktsiyani
minimal atamalar soniga soddalashtirish orqali amalga oshirish mumkin. Bir
davrdagi harflar soni muhim emas, chunki hamma kirish o'zgaruvchilari baribir
mavjud. Har bir funktsiyaning haqiqiy ma'nosi ham, qo'shilishi ham
soddalashtirilishi kerak, bunda qaysi biri kamroq ish shartlari bilan ifodalanishi
mumkin va qaysi boshqa funktsiyalar uchun umumiy bo'lgan ish shartlarini beradi.
Misol. PLA yordamida quyidagi ikkita mantiqiy funktsiyani bajaring:
F1(A,B,C) = ∑ (0, 1, 2, 4)
F2(A,B,C) = ∑ (0, 5, 6, 7)
Ikkala funktsiya ham 7.3-rasmda ko'rsatilgan xaritalarda soddalashtirilgan.
Haqiqiy ma'no ham, funktsiyalarga qo'shilish ham mahsulot yig'indisi sifatida
soddalashtirilgan. Asarlarning minimal sonini beradigan kombinatsiya
F1 = (AB +AC +BC)’ иF2 =AB +AC +A’B’C’
Bu kombinatsiya bo'laklarning to'rt xil atamasini beradi: AB, AC, BC va
A'B'C'. Kombinatsiya uchun PLA dasturlash jadvali 7.3-rasmda ko'rsatilgan.
E'tibor bering, F1 chiqishi haqiqiy chiqishdir, garchi uning ustida jadvalda C
belgisi qo'yilgan bo'lsa ham. Buning sababi, F1 VA-YOKI sxemasi yordamida
hosil qilingan va YOKI elementi chiqishida mavjud. XOR shlyuzi haqiqiy F1
chiqishini olish uchun funktsiyani to'ldiradi.
7.3-rasm. Misol uchun yechim.
Misolda ishlatiladigan kombinatsiya sxemasi PLA bilan amalga oshirish
uchun juda oddiy. Bu faqat tasviriy maqsadlar uchun taqdim etilgan. Oddiy PLA
ko'p sonly kirishlar va mahsulot shartlariga ega. Mantiqiy funktsiyalarni juda ko'p
o'zgaruvchilar bilan soddalashtirish kompyuterni soddalashtirish protseduralari
yordamida amalga oshirilishi kerak. Kompyuterli dizayn (SAPR) dasturi har bir
funktsiyani soddalashtiradi va uni minimal shartlarga qo'shadi. Keyin dastur
barcha vazifalarni to'g'ri yoki kengaytirilgan shaklda qamrab oladigan asarlar
shartlarining minimal sonini tanlaydi. Keyin PLA dasturlash jadvali tuziladi va
kerakli sug'urta xaritasi olinadi. Sug'urta xaritasi FPLA dasturchisiga qo'llaniladi, u
apparat protsedurasidan o'tib, integral mikrosxemadagi ichki sigortalarni o'chiradi.