Программируемые логические схемы презентация

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. 357-368, 302-306
Л6. Ю.А. Браммер. И.Н.Пашук «Импульсные и цифровые устройства», М.-Высшая школа, 1999г. с. 306-307

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

1. Программируемая логическая матрица (ПЛМ)

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.

Классификация
1. По способу программирования ПЛМ делят на:
- матрицы, настраиваемые (программируемые) предприятием - изготовителем (М-матрицы);
- матрицы, настраиваемые (программируемые) пользователем (П-матрицы);
- 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.

Условное графическое обозначение

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)

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,….

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

Разновидности ПЛМ
Двухуровневая ПЛМ комбинационного типа
ПЛМ комбинационного типа
Двухуровневая ПЛМ с памятью

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

2. Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС)

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.

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.
Классификация ПЛИС.

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);
коммутационные блоки.
Устройство (особенности конструкции)

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.
Производители ПЛИС

1. Технология ПЛИС обес­печивает рекордно короткий проектно-технологический 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.
Вывод по 2 вопросу

3. Методика и средства проектирования ЦУ

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.
Переход от функции к структуре называется синтез.

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.

Классификация цифровых ИС с точки зрения методов проектирования

Структура алгоритмов проектирования на основе ПЛИС
Различают:
1. Автоматизированное проектирование.
2. Ручное проектирование.

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