Программируемые логические схемы

1.

ЛЕКЦИЯ № 5
Тема: Программируемые логические схемы
Текст лекции по дисциплине «Цифровые устройства и микропроцессоры»
1

2.

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Программируемая логическая матрица (ПЛМ)
2. Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС)
3. Методика и средства проектирования ЦУ
ЛИТЕРАТУРА:
Основная
Л.1. А.К.Нарышкин «Цифровые устройств и микропроцессоры»: учеб. пособие
для студ. Высш. Учебн. Заведений/ А. К. Нарышкин, 2 – е изд. - Издательский
центр «Академия», 2008г. с. 131-138, 264-267
Л.2. Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров «Аналоговая и цифровая
электроника», М. Горячая линия- Телеком, 2000г. с. 728-736
Дополнительная литература
Л.5. Е.П. Угрюмов «Цифровая схемотехника», Санкт-Петербург, 2000г. с. 357368, 302-306
Л6. Ю.А. Браммер. И.Н.Пашук «Импульсные и цифровые устройства», М.Высшая школа, 1999г. с. 306-307
2

3. Контрольные вопросы

Записать аналитическое выражение логической операции,
нарисовать условно-графическое обозначение логического
элемента, реализующего логическую функцию.
1 вариант
ИЛИ
2 вариант
И-НЕ
3 вариант
И
4 вариант
ИЛИ-НЕ
3

4. 1. Программируемая логическая матрица (ПЛМ)

4

5. Основные понятия и определения

Программируемая логическая матрица представляет собой сетку
ортогональных проводников (шин), в местах пересечения которых
могут быть установлены полупроводниковые элементы с
односторонней проводимостью (ЭОП) - диоды или транзисторы.
Назначение.
ПЛМ служит для построения цифровых узлов, выполняющих
различные логические функции.
5

6. Классификация

1. По способу программирования ПЛМ делят на:
- матрицы, настраиваемые (программируемые) предприятием изготовителем (М-матрицы);
- матрицы, настраиваемые (программируемые) пользователем (Пматрицы);
- матрицы, репрограммируемые, то есть многократно
настраиваемые (Р-матрицы).
2. В зависимости от внутренней организации ПЛМ делят на:
- ПЛМ комбинационной логики;
• двухуровневые ПЛМ комбинационного типа;
• трехуровневые ПЛМ комбинационного типа;
- ПЛМ с памятью;
• двухуровневые ПЛМ с памятью;
• трехуровневые ПЛМ с памятью.
6

7. Условное графическое обозначение

7

8. Структура ПЛМ

М1 представляет собой матрицу элементов И. (Образованы
горизонтальными цепями входных переменных x1, x2, ... и их инверсий и вертикальными
цепями конъюнкций)
М2 представляет собой матрицу элементов ИЛИ. (Образованы
горизонтальными цепями выходов у1, у2, ... и вертикальными цепями дизъюнкций)
8

9. Принцип действия ПЛМ

В отдельных узлах матрицы М1 между ее вертикальными и
горизонтальными цепями включены диоды. На вертикальной цепи
образуется высокий потенциал (уровень лог. 1) в том случае, когда
на всех входах, идущих к узлам, содержащим диоды, действует
высокий потенциал (уровень лог. 1), закрывающий диоды. Если хотя
бы на одном из таких входов будет низкий потенциал (уровень лог.
0), диод открывается и уровень лог. 0 с этого входа через открытый
диод передается на вертикальную цепь матрицы.
Т.о. вертикальные цепи формируют конъюнкции p1 ,р2,….
9

10. Принцип действия ПЛМ

В узлах матрицы М2 между цепями рi и уj включены транзисторы,
базы которых подключены к цепям pi, а эмиттеры — к цепям уj.
Если в цепи рi действует высокий потенциал (уровень лог. 1),
транзистор оказывается в открытом состоянии и высокий потенциал
через открытый транзистор передается в цепь уj и уj= 1 независимо
от уровней на других выходах матрицы М1.
Т.о. на выходах схемы имеем
10

11. Разновидности ПЛМ

Двухуровневая ПЛМ
комбинационного типа
ПЛМ комбинационного
типа
Двухуровневая
ПЛМ с памятью
11

12.

Вывод по 1 вопросу
1. ПЛМ является универсальным цифровым устройством,
позволяющим реализовать логические функции различной
сложности
12

13. 2. Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС)

13

14. Основные понятия и определения

ПЛИС — это матричные большие интегральные схемы
Назначение.
ПЛИС позволяют программно скомпоновать в одном корпусе
электронную схему, эквивалентную схеме, включающей от
нескольких десятков до нескольких сотен ИС стандартной логики.
14

15.

Классификация ПЛИС.
1. По типу программируемых элементов:
• однократно программируемые (транзисторы с перемычками
типа antifuse, с программированием плавающих затворов);
• Репрограммируемые;
а) с ультрафиолетовым стиранием (EPROM),
б) с электрическим стиранием (EEPROM, FLASH),
в) с триггерной памятью конфигурации (SRAM-based)).
2. По архитектуре:
• микросхемы с архитектурой EPLD (EPROM technology bazed
complex Programmable Logic Device) — многократно
программируемые;
• микросхемы с архитектурой FPGA (Field Programmable Gate
Array) — многократно реконфигурируемые.
15

16.

Устройство (особенности конструкции)
Микросхема ПЛИС имеет в своём составе
• память для хранения конфигурации (в ПЛИС EPLD
используется ППЗУ с ультрафиолетовым стиранием, а у ПЛИС
FPGA — статическое ОЗУ);
• поля логических блоков (Логический блок — один из базовых
элементов архитектуры ПЛИС FPGA, может выполнять любую
логическую функцию в соответствии с заданной битовой
последовательностью (их называют SLC – Simple Logic Cells));
• поля блоков ввода/вывода (могут быть настроены на
выполнение любого электрического соединения
реализованной внутри ПЛИС схемы с внешними устройствами
через соответствующий контакт микросхемы. Содержат
программно-доступные ячейки памяти, логические элементы,
триггеры, программируемые мультиплексоры. Имеют два
канала – для ввода сигналов и для вывода);
16
• коммутационные блоки.

17.

Производители ПЛИС
• серии ХС7200 и ХС7300 — типа EPLD. Содержат от 18 до 144
многовходовых макроячеек, представляющих собой
программируемое 1-разрядное. Ячейки объединяются
матричным коммутатором. ИС могут быть использованы для
нестандартных АЛУ, дешифраторов, счетчиков и т. п.;
• серии ХС2000, ХСЗ000 — типа FPGA. Содержат от 2000 до
9000 эквивалентных вентилей. Включают до 320
конфигурируемых логических блоков (КЛБ);
• серия ХС9500 — типа CPLD. Многократно
перепрограммируемые (до 10000 раз) непосредственно на
рабочем устройстве микросхемы. Содержат от 800 до 6400
рабочих ячеек или от 36 до 288 макроячеек, аналогичных
серии ХС7300. Рабочая частота — до 150 МГц.
Все серии компании XILINX имеют высочайшую степень
защиты от копирования.
17

18.

Вывод по 2 вопросу
1. Технология ПЛИС обеспечивает рекордно короткий проектнотехнологический цикл (от нескольких часов до нескольких дней),
минимальные затраты на проектирование, максимальную гибкость
при необходимости модификации аппаратуры.
2. На основе одной или нескольких микросхем FPGA можно
создать реконфигурируемый процессор, обладающий
преимуществами спецпроцессора на "жесткой" логике, но
способного путем изменения содержимого статической памяти
решать любые задачи, подобно универсальному процессору.
18

19. 3. Методика и средства проектирования ЦУ

19

20. Основные понятия и определения

Проектирование — разработка технической документации,
позволяющей изготовить заданное устройство в заданных
условиях.
Стратегия проектирования — функциональная декомпозиция.
• Для системы в целом и ее блоков используется концепция
"черного ящика".
• Для "черного ящика" разрабатывается функциональная
спецификация, включающая внешнее описание блока (входы и
выходы) и внутреннее описание — функцию или алгоритм
работы: F= Ф (X, t), где Х — вектор входных величин; F —
вектор выходных величин; t — время.
• Функция Ф разбивается на более простые функции Ф1-Фк,
между которыми должны быть установлены определенные
связи, соответствующие принятому алгоритму реализации
функции Ф.
• В результате разбиения в конечном счете получается структура.
20
Переход от функции к структуре называется синтез.

21. Основные понятия и определения

• Выбор наилучшего варианта при синтезе осуществляется по
результатам анализа (проверяется правильность работы и некоторые показатели, характеризующие устройство).
• Декомпозиция функций блоков выполняется до тех пор, пока не
получатся типовые функции, каждая из которых может быть
реализована той или иной микросхемой.
• Процесс проектирования — многошаговый и итерационный, с
возвратами назад и пересмотром ранее принятых решений.
• Декомпозиция заканчивается при получении типовых функций,
которые соответствуют тем или иным микросхемам или
элементам функциональных библиотек программируемых
БИС/СБИС.
• Характер проектирования существенно зависит от вида
применяемой элементной базы.
21

22. Классификация цифровых ИС с точки зрения методов проектирования

22

23. Структура алгоритмов проектирования на основе ПЛИС

Различают:
1. Автоматизированное
проектирование.
2. Ручное
проектирование.
23

24.

Вывод по 3 вопросу
1. При проектировании цифрового устройства либо ручным либо
автоматизированным
способом
всегда
придерживаются
определённого алгоритма
24

25.

Заключение
1. ПЛМ служит для построения цифровых узлов, аппаратно
реализующих быстрые алгоритмы логики управления.
2. Шинные формирователи предназначены для согласования
входов - выходов других цифровых устройств в узлах передачи
данных и для управления направлением передачи данных в
шинах.
3. Технология ПЛИС обеспечивает рекордно короткий проектнотехнологический
цикл,
минимальные
затраты
на
проектирование, максимальную гибкость при необходимости
модификации аппаратуры.
4. При проектировании цифрового устройства независимо от
способа всегда придерживаются определённого алгоритма.
25