Это обобщающее название микросхем-«полуфабрикатов», из которых получают спе-
циализированные ИМС программированием у потребителя. В эту группу входят и рас-
смотренные ранее ПЛМ. Можно считать, что ПЛИС – это интеграция микросхем.
Замечание. Кроме ПЛИС имеется много других разновидностей «полуфабрикатов», т.е.
микроэлектронных изделий, которые выпускаются изготовителем в незаконченном виде.
Сюда можно отнести и многочисленные полузаказные изделия. Для придания им закон-
ченного, специализированного вида требуется определённая доработка, включающая и
программирование потребителем. Весьма показательным в этом смысле является базо-
вый матрический кристалл (БМК), из которого программированием и доработкой полу-
чают специализированную матрическую БИС. БМК – это ещё не микросхема, а только
кристалл без соединительных линий, не установленный в корпус, а имеющий только кон-
тактные площадки для внешних выводов. Основу БМК составляют базовые ячейки (БЯ),
в которых расположены различные изолированные друг от друга компоненты: транзи-
сторы, МЭТ, диоды, резисторы и др. Из компонентов одной ячейки или нескольких ячеек
могут быть созданы функциональные узлы комбинационного или последовательного ти-
па значительной сложности – макроэлементы. Программирование и окончательное
формирование специализированной БИС из БМК продолжается 6 – 8 недель и заканчива-
ется у изготовителя нанесением соединений по изготовленному потребителем фото-
шаблону (в процессе программирования БИС) и установкой в корпус. Такие «полуфабри-
каты» не будем включать в ПЛИС, т.к. они входят в другую группу полузаказных изде-
лий.
Опуская вопрос о классификации «полуфабрикатов» и полузаказных изделий, в по-
собии ПЛИС рассматривается в более узком смысле. В группу ПЛИС включены такие
«полуфабрикаты», которые представляют собой законченную производителем микросхе-
му (в корпусе с выводами и с нанесёнными соединениями, как на рис. 5.16,а) и програм-
мирование которых производится потребителем без помощи изготовителя (пережигание
плавких перемычек). Программирование ПЛИС производится довольно быстро (от не-
скольких секунд до нескольких минут) при помощи специальных программаторов [7].
Рассмотренные ранее ПЛМ являются одной из многочисленных (более сотни) разновид-
ностей ПЛИС. В структуру многих разновидностей ПЛИС входят как комбинационные,
так и последовательностные (триггер, регистры, счётчики) узлы, а также узлы запоми-
нающих устройств (ЗУ). Различаются ПЛИС и способами программирования.
Способы программирования ПЛИС. Кроме широко используемых плавких перемычек,
существуют и другие, более эффективные способы программирования. Это могут быть
МНОП-транзисторы, МОП-транзисторы с «плавающим» затвором или двухзатворные
МОП-транзисторы. В этих транзисторах проводящий канал индуцируется (наводится) под
действием заряда, накапливаемого на границе двух диэлектриков под затвором, или на
изолированном (плавающем) затворе при подаче импульса напряжения в процессе про-
граммирования. Накопленный заряд сохраняется в течение нескольких лет, обеспечивая
необходимые соединения элементов ПЛИС. Перед программированием такие транзисто-
ры переводятся в закрытое состояние (т.е. все соединения разрываются) подачей специ-
ального электрического сигнала (такие ИМС называются электрически стираемыми –
ЭСПЛИС) или при помощи облучения кристалла ИМС через специальное окно ультра-
фиолетовым светом (такие ИМС называются стираемыми – СПЛИС). Наиболее перспек-
тивными для применения в аппаратуре считаются ЭСПЛИС (например, двухзатворные
МОП-транзисторы), так как изменение их конфигурации (перепрограммирование) может
быть осуществлено непосредственно в аппаратуре (без извлечения из схемы) в течение
времени не более 1 секунды [7].
Созданы ПЛИС по технологии КМОП статических оперативных ЗУ (СОЗУ). Изме-
нение конфигурации таких ПЛИС может производиться динамически (программно).
В самом общем виде современные ПЛИС могут быть представлены моделью, приведён-
ной на рис. 5.18, хотя отдельные узлы и блоки разных ПЛИС могут существенно разли-
чаться. Основу всех ПЛИС составляет логическая матрица. Она может быть полной (из
элементов И и ИЛИ), матрицей из однотипных элементов (И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др.) или с
фиксированными элементами ИЛИ. Часто логическая матрица разбивается на логические
блоки с элементами запоминания.
СИНХРОНИЗАЦИЯ, ВНЕШНЕЕ УПРАВЛЕНИЕ
ЛОГИЧЕСКАЯ
МАТРИЦА
ВХОДЫ
(ЛОГИЧЕСКИЕ
БЛОКИ)
УПРАВЛЯЮЩАЯ
МАТРИЦА
ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ
ВЫХОДЫ
A
B
Ї
B3
B4
B5
B6
+Eп
X1
V1
Vx
X2
+Eп
V2
Vx
V3Y=X1+X2
V1
B7
V2
V3
V4
+Eп
F0
б
X1
X2
к вентилям B8, B9
а
V1 Vх
V2 Vх
в
V3
Y=
+Eп
+
X X
1 2
= +
X X
1 2
Во входных ячейках (блоках) имеются формирователи (дешифраторы) парафазных
сигналов (A, A , …) и элементы запоминания (триггеры, регистры).
Выходные ячейки могут быть многофункциональными и выполнять функции от
простого линейного до управляемого выхода с управлением полярностью выхода (при
возможности выбора активно-низкого (отрицательная логика) или активно-высокого (по-
ложительная логика) выходного сигнала), с запоминанием сумм произведений, с разреше-
нием (запретом) выхода, с внутренней синхронизацией и т.д. Выбор функции многофунк-
циональных выходных ячеек (блоков) осуществляет управляющая матрица. Под действи-
ем обратной связи (ОС) выходные блоки могут быть преобразованы в двунаправленные
блоки ввода-вывода (В-В).
Синхронные узлы имеют входы синхронизации. Сигналы внешнего управления
могут выполнять такие функции, как предварительная установка, сброс или загрузка реги-
стров, разрешение (запрет) выходов и др.
В составе некоторых высокоинтегрированных ПЛИС имеются макроячейки высо-
кого уровня сложности – счётчики, мультиплексоры, дешифраторы, АЛУ и ЗУ.
Наиболее развитыми являются микросхемы фирмы Xilinx (XC2018, XC2064, …,
XC3090, …), получившие название «Программируемые вентильные матрицы» (ПВМ). Вот
их некоторые особенности:
1. Логическая матрица построена на базе КМОП-элементов.
2. Логическая матрица состоит из нескольких десятков (до сотни и более) логиче-
ских блоков (ЛБ) с динамически изменяемой конфигурацией, построенных на основе яче-
ек статических ЗУ с произвольной выборкой.
3. Каждый ЛБ имеет 4 – 5 логических входов, два выхода и тактовый вход (син-
хровход). Такой ЛБ может реализовать любую логическую функцию 4-5 логических пе-
ременных.
4. Каждый ЛБ может воспринимать на входе и формировать на выходе сигналы как
положительной, так и отрицательной логики.
5. Вокруг логической матрицы расположено несколько десятков двунаправленных
блоков ввода-вывода (БВВ) тоже с изменяемой конфигурацией.
6. Каждый БВВ содержит входной регистр, схему настройки входного порогового
напряжения и выходную схему с тремя состояниями (0,1, z).
Логические блоки и БВВ соединяются между собой. Для обеспечения дополни-
тельных возможностей в изменении конфигурации ЛБ и БВВ используются разнообраз-
ные соединительные элементы, программируемые потребителем:
а) горизонтальные и вертикальные металлизированные линии, проложенные между
ЛБ и БВВ и разделённые на сегменты;
б) элементы обмена на координатных переключателях, соединяющие между собой
отдельные сегменты металлизированных линий;
в) программируемые соединительные точки, связывающие металлизированные ли-
нии с логическими блоками и блоками ввода-вывода.
Максимальная частота ПВМ 70 МГц.
Функциональная сложность (XC3090) – 9000 эквивалентных вентилей.
Аналогичную структуру имеют ПЛИС (СБИС) фирмы ALTERA, получившие на-
звание «Программируемые логические приборы» (PLD). PLD объединены в семейства
MAX5000, МАХ7000, МАХ7000А, МАХ7000АЕ. Так, семейство МАХ7000А (АЕ) вклю-
чает в себя шесть серий СБИС: ЕРМ7032АЕ, ЕРМ7256А, …, ЕРМ7512АЕ. СБИС
ЕРМ7512АЕ включает в себя 10000 эквивалентных вентилей, 512 макроячеек, 22 блока
логических матриц (БЛМ) и имеет максимальную частоту Fmax = 119 МГц. Менее сложная
СБИС ЕРМ7032АЕ (600 эквивалентных вентилей) имеет Fmax = 178 МГц. СБИС семейства
МАХ7000А (АЕ) имеют внутреннюю систему программирования (ISP), обеспечивающую
эффективное программирование без применения специальных программаторов.
