Программируемое логическое устройство - Programmable logic device

Упрощенное устройство PAL. Программируемые элементы (показаны как предохранители) подключают как истинный, так и дополнительный входы к логическим элементам AND. Эти логические элементы И, также известные как термины продукта, объединяются по ИЛИ, чтобы сформировать логический массив суммы продуктов.

А программируемое логическое устройство (PLD) является электронный компонент, используемый для сборки реконфигурируемый цифровые схемы. В отличие от интегральные схемы (IC), которые состоят из логические ворота и имеют фиксированную функцию, PLD имеет неопределенную функцию в время изготовления.[1] Прежде чем PLD можно будет использовать в цепи, его необходимо запрограммировать (перенастроить) с помощью специальной программы.[2]

Ранняя программируемая логика

В 1969 г. Motorola предложили XC157, матрицу с программированием по маске с 12 воротами и 30 незафиксированными контактами ввода / вывода.[3]

В 1970 г. Инструменты Техаса разработала программируемую по маске ИС на основе IBM ассоциативная память только для чтения или ROAM. Это устройство, TMS2000, было запрограммировано путем изменения металлического слоя во время изготовления ИС. TMS2000 имел до 17 входов и 18 выходов с 8 JK шлепки на память. TI ввел термин Программируемый логический массив (PLA) для этого устройства.[4]

В 1971 г. General Electric Компания (GE) разрабатывала программируемое логическое устройство на основе нового Программируемая постоянная память (PROM) технология. Это экспериментальное устройство улучшило ROAM IBM, допустив многоуровневую логику. Intel только что представила плавающий вентиль УФ стираемый PROM, поэтому исследователь GE включил эту технологию. Устройство GE было первым когда-либо разработанным ПЛИС со стиранием, предшествующим Альтера EPLD более чем на десять лет. GE получила несколько ранних патентов на программируемые логические устройства.[5][6][7]

В 1973 г. National Semiconductor представила программируемое по маске устройство PLA (DM7575) с 14 входами и 8 выходами без регистров памяти. Это было более популярно, чем деталь TI, но стоимость изготовления металлической маски ограничивала ее использование. Устройство важно, потому что оно было основой для программируемой логической матрицы, созданной Печатки в 1975 г. - 82С100. (Интерсил фактически превзошли Signetics на рынке, но низкая доходность обрекла их.)[8][9]

В 1974 г. GE заключила соглашение с Монолитные воспоминания (MMI) для разработки логического устройства с программируемой маской, включающего инновации GE. Устройство было названо «Программируемая ассоциативная логическая матрица» или PALA. MMI 5760 был завершен в 1976 году и мог реализовать многоуровневые или последовательные схемы более 100 вентилей. Устройство поддерживалось средой проектирования GE, в которой логические уравнения преобразовывались в шаблоны масок для настройки устройства. Деталь так и не поступила на рынок.[10]

PLA

Основная статья: Программируемая логическая матрица

В 1970 г. Инструменты Техаса разработала программируемую по маске ИС на основе IBM ассоциативная память только для чтения или ROAM. Это устройство, TMS2000, было запрограммировано путем изменения металлического слоя во время изготовления ИС. TMS2000 имел до 17 входов и 18 выходов с 8 Шлепанцы JK на память. TI ввел термин программируемая логическая матрица для этого устройства.[4]

Программируемый логический массив (PLA) имеет программируемый логический массив И, который связан с программируемым логическим массивом ИЛИ, который затем может быть условно дополнен для получения выходного сигнала. PLA похож на концепцию ROM, однако PLA не обеспечивает полного декодирования переменной и не генерирует все минтермы как в ПЗУ.

PAL

Основная статья: Программируемая логика массива

Устройства PAL имеют массивы транзисторных ячеек, расположенных в плоскости «фиксированное ИЛИ, программируемое И», используемое для реализации двоичных логических уравнений «суммы произведений» для каждого из выходов в терминах входов и синхронной или асинхронной обратной связи от выходы.

MMI представила революционное устройство в 1978 г. программируемая логика массива или PAL. Архитектура была проще, чем у Signetics FPLA, потому что в ней отсутствовал программируемый массив ИЛИ. Это делало детали быстрее, меньше и дешевле. Они были доступны в 20-контактных корпусах DIP на 300 мил, а FPLA - в 28-контактных корпусах по 600 мил. Справочник PAL проясняет процесс проектирования. Программное обеспечение для проектирования PALASM (ассемблер PAL) преобразовало логические уравнения инженеров в схему плавких предохранителей, необходимую для программирования детали. Устройства PAL вскоре были второй источник компании National Semiconductor, Texas Instruments и AMD.

После того, как MMI добился успеха с 20-контактными частями PAL, AMD представил 24-контактный 22V10 PAL с дополнительными функциями. После покупки MMI (1987 г.) AMD выделила консолидированное предприятие как Вантис, и этот бизнес был приобретен Решетчатый полупроводник в 1999 году.

GAL

Основная статья: Общая логика массива
Решетка ГАЛ 16В8 и 20В8

Усовершенствованием PAL было универсальное логическое устройство массива, или GAL, изобретенное Решетчатый полупроводник в 1985 году. Это устройство имеет те же логические свойства, что и PAL, но может быть стерто и перепрограммировано. GAL очень полезен на стадии прототипирования дизайна, когда ошибки в логике можно поправить перепрограммированием. Глобальные списки адресов программируются и перепрограммируются с помощью программатора PAL или с помощью внутрисхемное программирование техника на опорных чипах.

Решетчатые ГАЛ комбинируют CMOS и электрически стираемые (E2) технология плавающего затвора для высокоскоростного логического устройства с низким энергопотреблением. Подобное устройство, называемое PEEL (программируемая электрически стираемая логика), было представлено корпорацией International CMOS Technology (ICT).

CPLD

Основная статья: Комплексное программируемое логическое устройство

PAL и GAL доступны только в небольших размерах, эквивалентных нескольким сотням логических вентилей. Для больших логических схем, сложных ПЛИС или CPLD может быть использован. Они содержат эквивалент нескольких PAL, связанных программируемыми соединениями, все в одном Интегральная схема. CPLD могут заменить тысячи или даже сотни тысяч логических вентилей.

Некоторые CPLD программируются с помощью программатора PAL, но этот метод становится неудобным для устройств с сотнями контактов. Второй метод программирования - припаять устройство к печатной плате, а затем подать на него последовательный поток данных с персонального компьютера. CPLD содержит схему, которая декодирует поток данных и настраивает CPLD для выполнения заданной логической функции. Некоторые производители (в том числе Альтера и Microsemi ) использовать JTAG для программирования CPLD в цепи от .ВАРЕНЬЕ файлы.

ПЛИС

Основная статья: Программируемая вентильная матрица

В то время как PAL развивались в GAL и CPLD (все обсуждалось выше), происходил отдельный поток разработки. Этот тип устройства основан на массив ворот технология и называется программируемая вентильная матрица (ПЛИС). Ранними примерами ПЛИС являются массив 82s100 и секвенсор 82S105 от Signetics, представленные в конце 1970-х годов. 82S100 представлял собой набор терминов И. 82S105 также имел функции триггера.

(Примечание: 82S100 и аналогичные ИС от Signetics имеют PLA-структуру, AND-Plane + OR-Plane)

ПЛИС используют сетку логические ворота, и после сохранения данные не меняются, как и в обычном массиве вентилей. Термин «программируемый на месте» означает, что устройство программируется заказчиком, а не производителем.

FPGA обычно программируются после пайки на печатной плате аналогично тому, как это делается для более крупных CPLD. В большинстве больших ПЛИС конфигурация непостоянна и должна быть повторно загружена в устройство всякий раз, когда подается питание или требуются другие функции. Конфигурация обычно хранится в конфигурации ВЫПУСКНОЙ ВЕЧЕР или же EEPROM. Версии EEPROM могут программироваться внутри системы (обычно через JTAG ).

Разница между FPGA и CPLD заключается в том, что FPGA внутренне основаны на справочные таблицы (LUT), тогда как CPLD формируют логические функции с морем ворот (например, сумма продуктов ). CPLD предназначены для более простых проектов, в то время как FPGA предназначены для более сложных проектов. В общем, CPLD - хороший выбор для широкого комбинационная логика приложений, тогда как FPGA больше подходят для больших государственные машины Такие как микропроцессоры.

Другие варианты

Это микропроцессорные схемы, содержащие некоторые фиксированные функции и другие функции, которые можно изменить с помощью кода, запущенного на процессоре. Проектирование самоизменяющихся систем требует от инженеров изучения новых методов и разработки новых программных инструментов.

Сейчас продаются ПЛИС, содержащие микропроцессор с фиксированной функцией (так называемый основной) в окружении программируемой логики. Эти устройства позволяют дизайнерам сосредоточиться на добавлении новых функций в проекты, не беспокоясь о том, чтобы микропроцессор заработал. Кроме того, микропроцессор с фиксированной функцией занимает меньше места на микросхеме, чем часть программируемой вентильной матрицы, реализующей тот же процессор, оставляя больше места для программируемой вентильной матрицы, чтобы содержать специализированные схемы разработчика.

Как PLD сохраняют свою конфигурацию

PLD - это комбинация логического устройства и объем памяти устройство. Память используется для хранения рисунка, который был передан чипу во время программирования. Большинство методов хранения данных в интегральной схеме адаптированы для использования в PLD. К ним относятся:

Кремниевые антифузлы - это соединения, которые создаются путем приложения напряжения к модифицированной области кремния внутри чипа. Их называют антифлюзами, потому что они работают противоположно обычным предохранителям, которые начинают свою жизнь как соединения, пока они не будут разорваны электрическим током.

SRAM или статическое ОЗУ - это энергозависимый тип памяти, что означает, что ее содержимое теряется при каждом отключении питания. Поэтому PLD на основе SRAM необходимо программировать каждый раз при включении цепи. Обычно это делается автоматически другой частью схемы.

Ячейка памяти СППЗУ - это МОП-транзистор (металл-оксидный полупроводниковый полевой транзистор или МОП-транзистор), который можно включить, постоянно удерживая электрический заряд на его электроде затвора. Это делает программист PAL. Заряд остается в течение многих лет, и его можно снять, только подвергнув чип сильному воздействию. ультрафиолетовый свет в устройстве, называемом ластиком EPROM.

Флэш-память энергонезависима, сохраняя свое содержимое даже при отключении питания. Он хранится на МОП-транзистор с плавающим затвором ячейки памяти, и их можно стирать и перепрограммировать по мере необходимости. Это делает его полезным в PLD, которые можно часто перепрограммировать, например, в PLD, используемых в прототипах. Флэш-память - это разновидность EEPROM, которая хранит информацию, используя захваченные электрические заряды, аналогичные EPROM. Следовательно, флэш-память может хранить информацию годами, но, возможно, не так много лет, как СППЗУ.

По состоянию на 2005 год большинство CPLD электрически программируются, стираются и энергонезависимы. Это связано с тем, что они слишком малы, чтобы оправдать неудобства программирования внутренних ячеек SRAM при каждом запуске, а ячейки EPROM более дороги из-за их керамического корпуса с кварцевым окном.

Языки программирования PLD

Многие устройства программирования PAL принимают ввод в стандартном формате файла, обычно называемом 'JEDEC файлы '. Они аналогичны программного обеспечения компиляторы. Языки, используемые в качестве исходного кода для логических компиляторов, называются языки описания оборудования, или HDL.[2]

ПАЛАЗМ, ABEL и КУБОК часто используются для устройств низкой сложности, а Verilog и VHDL - популярные языки описания более высокого уровня для более сложных устройств. Более ограниченный ABEL часто используется по историческим причинам, но для новых проектов VHDL более популярен, даже для проектов низкой сложности.

О современных языках программирования PLD, схемах проектирования и инструментах см. FPGA и Реконфигурируемые вычисления.

Устройства программирования PLD

А программист устройства используется для передачи шаблона логической логики в программируемое устройство. На заре создания программируемой логики каждый производитель PLD также выпускал специализированный программатор для своего семейства логических устройств. Позже на рынок вышли универсальные программаторы устройств, поддерживающие несколько семейств логических устройств от разных производителей. Современные программисты устройств обычно могут программировать обычные PLD (в основном эквиваленты PAL / GAL) от всех существующих производителей. Распространенными форматами файлов, используемых для хранения логической логической схемы (предохранителей), являются JEDEC, Altera POF (программируемый объектный файл) или Xilinx BITstream.[11]

Рекомендации

  1. ^ Горовиц П., Хилл В. - Искусство электроники. 32 Avenue of the Americas, Нью-Йорк, NY 10013-2473, США. 2015. стр. 764. ISBN  978-0-521-80926-9. PLD состоит из микросхемы с большим количеством логических элементов (вентилей и регистров, а иногда и многого другого), соединения в которой программируются.CS1 maint: location (связь)
  2. ^ а б Горовиц П., Хилл В. - Искусство электроники. 32 Avenue of the Americas, Нью-Йорк, NY 10013-2473, США. 2015. стр. 764. ISBN  978-0-521-80926-9.CS1 maint: location (связь)
  3. ^ Справочник Motorola Semiconductor, четвертое издание. Motorola Inc., 1969. стр. IC-73.
  4. ^ а б Андрес, Кент (октябрь 1970 г.). Отчет по применению Texas Instruments: массивы программируемой логики MOS. Инструменты Техаса. Бюллетень СА-158. Report представляет серии PLA с программируемыми масками TMS2000 и TMS2200.
  5. ^ Грир, Дэвид Л. Электрически программируемые логические схемы Патент США 3,818,452. Цессионарий: General Electric, подано: 28 апреля 1972 г., получено: 18 июня 1974 г.
  6. ^ Грир, Дэвид Л. Многоуровневые ассоциативные логические схемы Патент США 3,816,725. Правопреемник: General Electric, подано: 28 апреля 1972 г., получено: 11 июня 1974 г.
  7. ^ Грир, Дэвид Л. Сегментированные ассоциативные логические схемы Патент США 3,849,638. Правопреемник: General Electric, подана 18 июля 1973 г., предоставлена ​​19 ноября 1974 г.
  8. ^ «Полупроводники и ИС: FPLA». EDN. Бостон, Массачусетс: Cahners Publishing. 20 (13): 66. 20 июля 1975 г. Пресс-релиз о программируемой логической матрице Intersil IM5200. Четырнадцать входных контактов и 48 терминов продукта. Программирование лавинной миграции. Цена за единицу составляла 37,50 долларов США.
  9. ^ «FPLA дает быструю настраиваемую логику». EDN. Бостон, Массачусетс: Cahners Publishing. 20 (13): 61. 20 июля 1975 г. Пресс-релиз о программируемых логических массивах Signetics 82S100 и 82S101. Четырнадцать входных контактов, 8 выходных контактов и 48 выводов продукта. Программирование плавких вставок NiCr.
  10. ^ Пеллерин, Дэвид; Майкл Холли (1991). Практическое проектирование с использованием программируемой логики. Прентис-Холл. п. 15. ISBN  0-13-723834-7.
  11. ^ Форматы файлов PLD

внешняя ссылка