Классификация ИС программируемой логики

Микросхемы программируемой логики классифицируются по нескольким признакам (рис. 11.1). По уровню интеграции их можно разделить на простые, сложные и схемы типа «системы на кристалле» (SОС, System On Chip), как показано на рис. 11.1. Можно сказать также, что простые ИС программируемой логики относятся к первому их поколе­нию, тогда как сложные и SОС принадлежат к следующим.

Простые ИС с программируемой логикой (ИС ПЛ), обозначаемые в совокупности как PLD (Programmable Logic Devices), делятся на микросхемы программируемой матричной логики ПМЛ (РАL, Programmable Array Logic) и микросхемы программируемых логических матриц ПЛМ (РLA, Programmable Logic Arrау). Усложненные варианты РАL некоторые производители называют схемами GAL (Generic Array Logic). Простые ИС ПЛ рас­считаны на реализацию систем переключательных функций и использовались для замены нескольких корпусов или даже десятков корпусов стандартных ИС на один корпус PLD. По мере их усложнения выполняемые ими задачи также усложнялись, в частности, появилась ориентация на реализацию конечных автоматов (в схемы PLD стали вводить элементы памяти).

Продолжением линии развития ПМЛ стали сложные БИС/СБИС типа СРLD (Complex PLD), в которых, как и в PLD, используются схемы непосредственной реализации дизъюнктивных нормальных форм переключательных функций (функций типа SОР, Sum Of Products), но в одной СРLD имеется несколько ПМЛ (РАL, GAL), объединенных системой коммутации.

Сложные ИС ПЛ типа FРGА (Field Programmable Gate Arrays) содержат матрицу логических блоков того или другого типа, расположенных по строкам и столбцам, между которыми размещены средства коммутации, позволяющие с помощью программирования получать необходимые взаимные соединения логических блоков. Сами блоки могут быть выполнены различным образом. Стремление объединить достоинства, присущие СРLD и FРGА, привело к созданию БИС/СБИС комбинированной архитектуры, для которых еще не выработано общепринятое название.

Рост уровня интеграции дал возможность размещать на кристалле схемы, сложность которых соответствует целым системам (мегавентильные схемы). Такие схемы именуются ЗОС и могут быть разделены на два типа - однородные схемы, в которых функциональное назначение отдельных областей кристалла обеспечивается программированием одних и тех же по типу ресурсов (схемы типа generic), и блочные структуры, в которых отдельные области кристалла специализированы уже при их изготовлении. О таких кристаллах говорят, что они содержат специализированные аппаратные ядра (Нагdcores).

Важным классификационным признаком ИС ПЛ является тип памяти конфигурации, т. е. тип программируемых элементов, задаваемое состояние которых как раз и создает требуемое устройство как конкретный вариант межсоединений имеющихся на кристалле схемотехнических ресурсов. Программируемые элементы представляют собой двухполюсники, играющие роль ключей, которым при программировании задаются состояния «замкнуто» или «разомкнуто». Число программируемых элементов в ИС ПЛ зависит от их сложности и в схемах наибольшего уровня интеграции измеряется миллионами.

В ИС ПЛ используются или использовались ранее следующие типы программируемых элементов:

• плавкие перемычки Fuse (в схемах самых первых образцов);

• пробиваемые диэлектрические перемычки Аntifuse (краткий русский термин отсутствует);

• однократно заряжаемые «плавающие затворы» МОП-транзисторов (ЕРROМ-ОТР);

• перезаряжаемые «плавающие затворы» с введением заряда электрическими воздействиями на транзистор и его стиранием с помощью облучения кристалла ультрафиолетовыми лучами (ЕРROМ);

• перезаряжаемые «плавающие затворы» с электрическими записью и стиранием зарядов (ЕЕРRОМ, Flash);

• ключевые МОП-транзисторы, управляемые триггерами памяти конфигурации (SRАМ-based).

Рис. 11.1. Классификация ИС программируемой логики

Репрограммируемые элементы ЕРROМ, ЕЕРRОМ, Flash, SRAM-based различаются по свойствам. Элементы ЕРRОМ с ультрафиолетовым стиранием допускают ограниченное число перезаписей заряда, так как процесс облучения постепенно изменяет свойства кристалла.

Элементы с электрическим стиранием имеют существенно большее число допустимых перезаписей заряда (приблизительно в тысячу раз), а элементы с триггерной памятью конфигурации могут перепрограммироваться неограниченно.

Одним из признаков классификации служит наличие или отсутствие связи между задержками распространения сигналов и конкретными путями их передачи по межсоединениям кристалла. Этот фактор важен, так как независимость задержки от конкретного пути передачи сигнала означает предсказуемость задержек, что существенно облегчает построение на кристалле работоспособных схем, особенно схем высокого быстродействия.