Программируемые логические матричные структуры

Реализация Булевых функций с помощью матричных схем. Матричные схемы представляют собой сетку ортогональных проводников, на местах пересечения которых установлены элементы односторонней проводимости (ЭОП) (диоды, транзисторы). Матричные схемы бывают 2-х и 3-х уровневые. Каждый уровень называется ма-трицей. Матрица первого уровня называется матрицей М1, матрица второго уровня - М2.

Обычно матрица М1 реализует элементарные конъюнкции и называется матрицей конъюнкций, а матрица М2 - матрицей дизъюнкций, т.к. позволяет реализовать дизъюнкции переменных. Рассмотрим двухуровневую матричную схему (рис.).

Количество входов матрицы М1 равно S, т.е. Х1, Х2, ... , Xs, количество выходов матрицы М2 равно t, т.е. Y1, Y2, . . , Yt. Буквой Р обозначаются промежуточные проводники, перпендикулярные (ортогональные) проводникам Х и У. Количество ортогональных проводников - q.

Функциональная схема матрицы М1 представлена на рис. 2.24. Рассматриваемая матрица может реализовать четыре конъюнкции, по числу ортогональных проводников:

Р₁ = Х₃ Х_{2 1} ; P₂ = ₂ X₁; P₃ = ₃ X₂; P₄ = ₃ Х₁.

В общем случае, если какие-либо ортогональные проводники не участвуют в реализации конъюнкций, их число может быть меньше q.

Реализация необходимых конъюнкций осуществляется путем прожига перемычек (включенных последовательно с полупроводниковым диодом), расположенных на местах пересечения ортогональных проводников, не участвующих в образовании конъюнкций.

Следует отметить, что в исходном состоянии на всех пересечениях проводников матрицы М1 имеются соединения, т.е. матрица реализует все конъюнкции переменных, причем в каждую конъюнкцию входят все переменные и с отрицанием, и без. Очевидно, что такие конъюнкции логического смысла не имеют. Для получения необходимых конъюнкций следует прожигать все легкоплавкие перемычки, находящиеся на узлах, не участвующих в конъюнкциях. На схеме (рис. 2.24) рассматриваемой матрицы М1 крестиками обозначены узлы, на которых сохранены перемычки.

Рассмотрим процесс реализации конъюнкции на примере конъюнкции P₁ = Х₃Х_{2 1}. Действительно, на проводнике P₁ будет поддерживаться уровень логической единицы (за счет напряжения источника питания E) только при условии наличия уровня логической "1" на всех трех указанных пересечениях. Очевидно, что на верхнем (по схеме) пересечении уровень "1" будет иметь место только при условии подачи на вход матрицы уровня логического "0", т.к. сигнал Х₁ "попадает" на это пересечение через инвертор. Появление "0" хотя бы на одном из входов Х₃ или Х₂ приводит к "исчезновению" логической "1" на проводе P₁, т.к. все напряжение питания Е будет падать на ограничительном сопротивлении R и на выходе Р₁ появится "0".

Схема матрицы дизъюнкции М2 содержит сопротивления нагрузки и транзисторные ключевые соединители (на местах пересечений ортогональных проводников). На рис. 2.25 приведена схема матрицы М2 для двух выходов ( количество проводников Р одинаково для М1 и М2 и в данном примере q = 4).

Объем информации, который можно записать в матричную схему, определяется как информационная площадь матриц, вернее суммой S_m1 и S_m2.

S_m = S_m1 +S_m2 = 2Sq + qt

На практике часто встречаются схемы, состоящие из матриц М₂ и дешифратора (полного). Такие схемы обычно называют постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ). ПЗУ - это элемент (устройство) памяти, позволяющий хранить записанную в нем информацию, и после выключения напряжения источника питания. По способу записи ПЗУ подразделяются на масочные, программируемые и репрограммируемые. Масочные ПЗУ программируются заводом изготовителем с помощью специальных масок, т.е. соединения на местах пересечения ортогональных проводников заложены в технологию производства ПЗУ.

Программируемые ПЗУ (ППЗУ). ППЗУ выпускаются заводом-изготовителем в "чистом виде", т.е. по всем адресам записаны"0". Программирование ППЗУ осуществляется пользователем ППЗУ на специальной установке, называемой программатором. В ППЗУ можно записать (его программировать) информацию только один раз. Изменить записанную информацию или исправить ее нельзя. ППЗУ нашли широкое применение в ЭВМ для хранения запускающих программ. Они обладают большим быстродействием, чем репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ).

Репрограммируемые ПЗУ позволяют, при необходимости, перепрограммировать ПЗУ, т.е. стереть ранее записанную информацию и записать новую.

По способу стирания ранее записанной информации РПЗУ бывают с ультрафиолетовым (ультрафиолетовыми лучами) и электрическим стиранием. РПЗУ позволяют десятки (некоторые до 1000) раз перепрограммировать и сохранять записанную информацию десятки и сотни тысяч часов. Быстродействие РПЗУ несколько хуже быстродействия ППЗУ.

Независимо от типа и способа стирания ПЗУ имеют структуру, приведенную на рис.

Структурная схема ПЗУ содержит дешифратор на S входов и 2^S -выходов, а также матрицу М2.

Информационная емкость ПЗУ определяется как Sпзу = 2^S, где S- количество входов X. В этом определении емкости (объема) памяти не учтено количество выходов Y(t). Обычно число t бывает 4, 8, и 16 (полубайтовая, байтовая и двухбайтовая организация памяти). "Битовая" емкость ПЗУ определяется как

Sпзу (бит) = 2^S t (бит)

Промышленностью выпускаются ПЗУ с объемом памяти (информационной емкостью) на 2 кбайт, 4 кбайт,16 кбайт,32 кбайт и т.д., где к=1024; 1байт=8бит.

На функциональных и принципиальных схемах РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием изображается так, как показано на рис. 2.27.

Микросхема РПЗУ К573РФ2 (РФ5) имеет одиннадцатиразрядный дешифратор, выходы которого соединены с восьмиразрядной матрицей М2. В процессе записи выходные элементы РПЗУ находятся в режиме приема информации через выводы D₀ . . . D₇ (на входе “ОЕ“ уровень “1”). В режиме считывания записанной информации выводы “U_ce” и “U_cc” объединяются, и на них подается напряжение питания +5В.

Демультиплексоромназывают устройство, в котором сигналы с одного информационного входа поступают в желаемой последовательности по нескольким выходам в зависимости от кода на адресных шинах. Таким образом, демультиплексор в функциональном отношении противоположен мультиплексору. Демультиплексоры обозначают через DMX или DMS.

Рис. 16.8. Функциональная схема демультиплексора с двумя выходами

Если соотношение между числом выходов n и числом адресных входов m определяется равенством n=2^m, то такой демультипликатор называют полным, при n<2^m демультиплексор является неполным.

Рассмотрим функционирование демультипликатора с двумя выходами, который условно изображен в виде коммутатора, а состояние его входов приведено в таблице (рис. 16.8). Из этой таблицы следует: , т.е. реализовать такое устройство можно так, как показано на рис. 16.9.

Рис. 16.9. Реализация демультиплексора с двумя выходами

на логических элементах И

Функции демультиплексоров сходны с функциями дешифраторов. Дешифратор можно рассматривать как демультиплексор, у которого информационный вход поддерживает напряжение выходов в активном состоянии, а адресные входы выполняют роль входов дешифратора. Поэтому в обозначении как дешифраторов, так и демультиплексоров используются одинаковые буквы – ИД. Выпускают дешифраторы (демультиплексоры) К155ИД3, К531ИД7 и др.