Опорний конспект лекцій з дисципліни “Проектування пристроїв на інтегральних схемах ” (стр. 2 )

На рис. 8.3, б показан фрагмент ПЛМ с программируемыми элементами ти­па EEPROM. Если в плавающий затвор транзисторного элемента связи вве­сти заряд электронов, то пороговое напряжение такого транзистора повы­сится, и он всегда будет запертым — соответствующий вход будет отключен. При отсутствии заряда в плавающем затворе транзистор функционирует как обычно. На рисунке показан один столбец первой матрицы и одна строка второй. Для входов, подключенных к управляющим затворам работающих транзисторов, образуется ячейка ИЛИ-НЕ. Действительно, для группы па­раллельно включенных ключевых транзисторов с общим сопротивлением нагрузки R достаточно хотя бы одного единичного входа, т. е. включенного транзистора, чтобы на выходе схемы напряжение снизилось до уровня логи­ческого нуля.

И только нулевые значения всех рабочих входов, т. е. запертые состояния всех транзисторов, позволят выходному напряжению повыситься до уровня логической единицы. Идентичные ячейки ИЛИ-НЕ используются и в пер­вой, и во второй матрицах.

Подготовка задачи к решению с помощью ПЛМ

Для подлежащей воспроизведению системы функций с целью упрощения ПЛМ можно попытаться уменьшить число термов в данной системе. Со­держанием минимизации функций будет поиск кратчайших дизъюнктив­ных форм. Имея в виду использование готовой (стандартной) ПЛМ, следу­ет уменьшать по возможности число термов в данной системе функций задачи до уровня, когда число термов становится не превышающим l — параметра имеющихся ПЛМ. Дальнейшая минимизация не требуется. Ес­ли размерность имеющихся ПЛМ обеспечивает решение задачи в ее ис­ходной форме, то минимизация не требуется вообще, т. к. не ведет к со­кращению оборудования.

Программирование ПЛМ

Программирование ПЛМ, выполняемое пользователем, проводится с по­мощью специальных программаторов и сведения для них должны иметь определенную форму. Имеются программаторы, которые принимают в ка­честве информации о ПЛМ таблицу функционирования (истинности), од­нако удобнее задавать сведения о самих перемычках. Символы, исполь­зуемые при таком задании сведений для программирования ПЛМ:

·  Н — переменная входит в терм в прямом виде, т. е. нужно оставить це­лой перемычку прямого входа и пережечь перемычку инверсного входа;

·  L — переменная входит в терм в инверсном виде, т. е. нужно сохранить перемычку у инверсного входа и пережечь у прямого;

·  "—" — переменная не входит в терм и не должна влиять на него, т. е. нужно пережечь перемычки обоих входов.

Оставление перемычек у обоих входов переменной как бы устраняет из матрицы соответствующую схему И, поскольку в силу равенства х = О выход этой схемы всегда нулевой и не влияет на работу матрицы ИЛИ, на вход которой подается;

·  А — указывается в выходном столбце (столбце функции) и свидетельст­вует о связи данной схемы И с выходом ПЛМ через матрицу ИЛИ. Пе­ремычка должна быть сохранена;

·  “.” указывает на то, что данная схема И не подключается к выходу и должна иметь пережженную перемычку в матрице ИЛИ.

В принятой символике для программирования ПЛМ взятого ранее примера сведения будут заданы таблицей (табл. 8.1).

Упрощенное изображение схем ПЛМ

Схемы ПЛМ достаточно громоздки, и поэтому изображать*их желательно с максимально возможным упрощением. Используются изображения, в кото­рых многовходовые элементы И, ИЛИ условно заменяются одновходовыми.

Единственная линия входа таких элементов пересекается с несколькими ли­ниями входных переменных. Если пересечение отмечено точкой, данная перемённая подается на вход изображаемого элемента, если точки нет, то переменная на элемент не подается. Пример многовходового конъюнктора с входами х показан на рис. 8.4, а. Схема рис. 8.2, а в новом упрощенном изображении имеет вид, приведенный на рис. 8.4, б

Воспроизведение скобочных форм переключательных функций

С помощью ПЛМ, как и с помощью рассматриваемых далее ПМЛ, можно воспроизводить не только дизъюнктивные нормальные формы переключа­тельных функций, но и скобочные формы.

В этом случае сначала получают выражения в скобках, а затем они рассмат­риваются как аргументы для получения окончательного результата. В схеме появляются обратные связи — промежуточные результаты с выхода вновь подаются на входы, логическая глубина схемы увеличивается, задержка вы­работки результата растет. Пусть, например, требуется получить функцию:

F=x1x2\/(x1x2\/ )x3

Для этого следует применить включение ПЛМ по схеме (рис. 8.5).

Наращивание (расширение) ПЛМ

Если размерность задачи превосходит возможности имеющихся ПЛМ, прихо­дится их наращивать. Когда число функций в системе N превосходит число п выходов ПЛМ, несколько ПЛМ включаются параллельно по входам (рис. 8.6). На выходах каждой из ПЛМ воспроизводится часть функций. Общее число ПЛМ определяется как ] N/n Г. Так как число термов предполагается достаточным (£ сист <£), все ПЛМ могут быть запрограммированы на одни и те же термы.

Если ЧИСЛО термов системы lсист превышает ЧИСЛО термов ПЛМ (lсист > l), то к ПЛМ подключаются дополнительные с тем же числом входов и выходов. По вхо­дам ПЛМ включаются параллельно, а соответствующие выходы соединяются по ИЛИ или просто объединяются, если это выходы с третьим состоянием или воз­можностями монтажной логики. Каждая ПЛМ программируется на свои термы, за­тем из термов "собираются" на выходах нужные функции (рис. 8.7).

Расширение числа входов — наиболее сложная задача, связанная с декомпо­зицией системы функций. В частном случае, если все термы содержат не бо­лее m переменных, множество термов можно разбить на подмножества, со­держащие не более m одинаковых переменных. Для реализации потребуется число ПЛМ, равное числу подмножеств, а выходы ПЛМ будут соединены так же, как и при расширении числа термов. Входными переменными каждой ПЛМ будут только связанные с образованием термов данного подмножества.

Часто в числе входных переменных ПЛМ имеются тактирующие сигналы, взаимно исключающие друг друга в смысле одновременности вхождения в термы. Такие сигналы можно разделить на группы (подмножества), каждая из которых вместе с оставшимися переменными может обрабатываться отдель­ной ПЛМ (рис. 8.8).

Стандартным приемом расширения ПЛМ по входам является перенос избыточного числа аргументов на предварительный дешифратор, выходы которого разрешают работу одной из ПЛМ, обрабатывающих оставшуюся часть аргумен­тов. Этот прием рассматривался ранее применительно « наращиванию дешиф­раторов и других схем. Расширение числа входов ПЛМ на единицу, произве­денное по такому методу, показано на рис. 8,9. Для значительного расширения числа входов этот прием мало пригоден, т. к. избыточные переменные образу­ют слова, подвергающиеся полной дешифрации, что резко увеличивает число ПЛМ в схеме (удваивает с добавлением каждого избыточного входа).

Простая эвристическая методика расширения ПЛМ по входам, не претендую­щая на оптимальность, предложена в работах и описана также в [45]. -

Первые отечественные ПЛМ были выпущены в составе серии К556 (микросхемы РТ1, РТ2 схемотехнологии ТТЛШ с программированием про­жиганием перемычек). Их размерность, 16 входов, 48 термов, 8 выходов, за­держка около 50 не. Микросхема РТ1 имеет выходы с открытым коллекто­ром. Микросхема РТ2 имеет выходы с, тремя состояниями.

Структура ПМЛ

Одно из важных применений БИС программируемой логики — замена ИС малого и среднего уровня интеграции при реализации так называемой про­извольной логики. В этих применениях логическая мощность ПЛМ зачас­тую используется неполно. Это проявляется, в частности, при воспроизве­дении типичных для практики скстем Переключательных функций,"; не имеющих больших пересечений друг с другом по одинаковым термамГЛЙ 4га4 ких случаях возможность использования выходов любых конъюнкторов лю­быми дизъюнкторами (как предусмотрено в ПЛМ) становится излишним
усложнением. Отказ от этой возможности означает отказ от программирова­ния матрицы ИЛИ и приводит к структуре ПМЛ (PAL, GAL).

В ПМЛ (рис. 8.10) выходы элементов И (выходы первой матрицы) жестко распределены между элементами ИЛИ (входами матрицы ИЛИ). В показан­ной ПМЛ m входов, п выходов и 4п элементов И, поскольку каждому эле­менту ИЛИ придается по четыре конъюнктора ПМЛ, как и ПЛМ, воспроиз­водят дизъюнктивные нормальные формы логических функций, но с более жесткими ограничениями.

В сравнении с ПЛМ схемы ПМЛ имеют меньшую функциональную гибкость, т. к. в них матрица ИЛИ фиксирована, но их изготовление и использование проще. Преимущества ПМЛ особенно проявляются при проектировании не­сложных устройств.

Подготовка задач к решению на ПМЛ имеет много общего с подходом к решению задач на ПЛМ, но есть и различия. Для ПМЛ важно уменьшить число элементов И для каждого выхода, но если для ПЛМ стремятся искать представление функции с наибольшим числом общих термов, то для ПМЛ это не требуется, поскольку элементы И фиксированы по своим выходам и не могут быть использованы другими выходами (т. е. для других функций).