Программируемая логическая матрица

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.

Классификация

1. По способу программирования ПЛМ делят на:

- матрицы, настраиваемые (программируемые) предприятием - изготовителем (М-матрицы) (В М-матрицах соединение ЭОП с шинами осуществляется на предприятии-изготовителе с помощью специальных масок, используемых для металлизации определенных участков кристалла БИС. После изготовления БИС полученные соединения не могут быть изменены.);

- матрицы, настраиваемые (программируемые) пользователем (П-матрицы) (П-матрицы поставляются потребителю ненастроенными и содержащими ЭОП в каждой точке пересечения шин. Настройка сводится к удалению (отключению) ненужных ЭОП. Физически процесс настройки осуществляется различными способами, например, путем пропускания серии импульсов тока достаточно большой амплитуды через соответствующий ЭОП и разрушения плавкой перемычки, включенной последовательно с ним или пробоем одного из встречно включенных диодов, соединяющих шины в точке их пересечения);

- матрицы, репрограммируемые, то есть многократно настраиваемые (Р-матрицы), (Р-матрицы позволяют осуществлять программирование неоднократно. Повторное программирование выполняется электрическим способом для каждого ЭОП или группы ЭОП после стирания содержимого матриц под действием ультрафиолетового (иногда рентгеновского) облучения или стирания электрическим способом).

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;

Условное обозначение.

Условно графическое обозначение ПЛМ имеет вид представленный на Рис. 1. Здесь имеет смысл указать и обозначение ПЛМ на функциональных схемах – функциональное обозначение (Рис. 2).

Рис. 1 УГО ПЛМ

Рис. 2 Функциональное обозначение ПЛМ

Устройство (структура) ПЛМ. Схема ПЛМ.

На Рис. 3 показана структура ПЛМ. Цепи входных переменных .x₁, x₂, ... и их инверсий , ... составляют горизонтальные цепи матрицы М₁, вертикальными цепями которой служат так называемые цепи конъюнкции. Каждая i-я входная шина этой матрицы (i=1,2,3) связана с двумя горизонтальными шинами: с одной непосредственно, а со второй через инвертор. Способ включения ЭОП в местах пересечения шин матрицы М₁ позволяет реализовать на любом из ее выходов любую конъюнкцию ее входных переменных, взятых со знаком либо без знака отрицания. Таким образом, М₁ представляет собой матрицу элементов И.

Рис. 3 Структура ПЛМ

Другую матрицу М₂ образуют цепи дизъюнкции с горизонтальными цепями выходов у₁, у₂, ... Способ включения ЭОП в местах пересечения шин М₂ позволяет реализовать на любом из ее выходов любую дизъюнкцию входных переменных. Следовательно, М₂ представляет собой матрицу элементов ИЛИ.

В процессе программирования ПЛМ в узлах матриц М₁ и М₂ производят подключение элементов, которые необходимы для реализации требуемых выходных логических функций y₁, у₂,….

Принцип действия ПЛМ. Работа ПЛМ.

Матрица М₁ содержит горизонтальные цепи, на которых действуют входные переменные х₁, х₂, … и их инверсии , ..., и вертикальные цепи, на которых формируются конъюнкции p₁ ,р₂,…. В отдельных узлах матрицы между ее вертикальными и горизонтальными цепями включены диоды. На вертикальной цепи образуется высокий потенциал (уровень лог. I) 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 низкий потенциал (уровень лог. 0), открывается диод и уровень лог. 0 с этого входа через открытый диод передается на вертикальную цепь матрицы. На Рис. 3 крестиками показаны участки, в которых в процессе программирования создаются соединения.

Таким образом, в этой схеме

Включая в соответствующие узлы диоды, можно на выводах р_i, сформировать любые конъюнкции входных переменных и их инверсий.

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

Таким образом, в схеме на Рис. 3

Программа функционирования приведенной на Рис. 3 ПЛМ может быть представлена в виде таблицы.

Таблица 1

Таблица строится по следующему правилу. На пересечении j-й стро­ки и столбца x_i, записывается 1, если х_i входит в конъюнкцию р_j на выходе матрицы М₁ без инверсии, и 0 - если с инверсией. Если х_i, не входит в j-ю конъюнкцию, то ставится прочерк. На пересечении i-й строки и столбца y_k записывается 1, если i-я элементарная конъюнкция входит в ДНФ y_k, и точка в противном случае.

Если в качестве ЭОП используются МОП-транзисторы, то каждый элемент матриц М₁ и М₂ реализует логическую функцию ИЛИ-НЕ. Кроме того, в этом случае значения выходных переменных получаются в инверсном виде. Поэтому реализуемая система булевых функций должна быть преобразована в базис логических функций ИЛИ-НЕ.

Разновидности ПЛМ.