Раздел V. Реализация модулей памяти

Методические рекомендации для студентов

При изучении раздела следует обратить внимание на совпадение схемотехнических реализаций устройств с различным функциональным назначением и разнообразие реализаций узлов с близкими функциями.

Лекция 16. Схемотехника логических устройств с программируемыми функциями

Средством унификации аппаратной базы сложных логических узлов являются "полуфабрикаты" логики – программируемые матрицы вентилей ПМВ и программируемые логические матрицы ПЛМ, представляющие собой матрицы шин, в узлах которых размещаются однонаправленные элементы связи, например, диоды или транзисторы.

Упрощенно ПМВ может быть представлена /1/ в виде структуры, приведенной на рис. 101. В исходном состоянии каждая горизонтальная шина связана с каждой вертикальной цепочками однонаправленной связи, включающими, например, диод и плавкую перемычку (ПП).

Таким образом, для любого y_i в ПМВ реализована функция , то есть . Чтобы получить логическую функцию , лишние связи нужно удалить путём пережигания ПП.

Если мы хотим получить, например, функции , , то, программируя матрицу, следует сохранить лишь связи, отмеченные на рис. 101 знаком Х.

В

Рис. 101. Структура ПМВ

озможности ПМВ в реализации y=f (x) ограничены, поэтому чаще используют двухуровневые ПЛМ. на первом уровне выполняется операция И над входными переменными и их инверсиями и формируются промежуточные переменные – конъюнкции. на втором уровне реализуется функция ИЛИ над этими конъюнкциями (рис. 102).

Рис. 102. Структура двухуровневой ПЛМ

Перемычки могут быть металлическими (вначале изготовлялись из нихрома, позднее из титановольфрамовых и других сплавов) или поликристаллическими (кремниевыми). В исходном состоянии запоминающий элемент хранит логическую единицу, логический нуль нужно записать, расплавляя перемычку – fuse. Создание части перемычек соответствует схемам, которые в исходном состоянии имеют непроводящие перемычки в виде пары встречно включенных диодов или тонких диэлектрических слоев. В исходном состоянии сопротивление такой цепочки настолько велико, что практически равноценно разомкнутой цепи, и запоминающий элемент хранит логический нуль. Для записи единицы к диодам прикладывают повышенное напряжение, пробивающее диод, смещенный в обратном направлении. Диод пробивается с образованием в нем короткого замыкания и играет роль появившейся проводящей перемычки. Схемы с тонкими пробиваемыми диэлектрическими перемычками (типа antifuse) наиболее компактны и совершенны. Их применение характерно также для постоянных запоминающих устройств (см. ниже).

Среди отечественных ПЛМ широко использовались однократно программируемые КР556РТ1 и КР556РТ2 с плавкими нихромовыми перемычками. Они имеют 16 входов, 8 выходов, реализуют 48 конъюнкций, их матрица ИЛИ выполнена на транзисторах с ПП в цепи эмиттера. РТ1 имеет выход с ОК, РТ2 – с тремя состояниями. Обе имеют также вход разрешения для выдачи (ОЕ – output enable).

На ПЛМ можно строить как комбинационные схемы, так и схемы с памятью, соединяя нужные выходы со входами.

Часто ПЛМ используются на этапе макетирования новых узлов и при выпуске малых серий. При более высоком объеме выпуска аппаратуры можно заказать ПЛМ с заданными соединениями на заводе-изготовителе.

Усложнение ПЛМ за счет введения в состав кристалла триггеров, регистров и других узлов привело к появлению нового поколения таких микросхем: ПЛИС (программируемые логические ИС), ПКЛП (программируемые контроллеры логических последовательностей) и другие.

Основным направлением дальнейшего совершенствования ПЛИС является их перевод на новые технологии, обеспечивающие электрическое программирование и ультрафиолетовое или электрическое стирание функциональных связей.