Программируемые вентильные матрицы

Микросхемы ПМЛ достаточно универсальны, но их размер ограничен по той причине, что для каждой суммы произведений требуется один выходной контакт, ля преодоления этого ограничения разработан класс более мощных программируемых устройств, называемых программируемыми вентильными матрицами, ПВМ (Field Programmable Gate Array, FPGA). Концептуальная схема такой матрицы показана на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Концептуальная схема программируемой вентильной матрицы

Она состоит из набора логических блоков (обозначенных черными квадратами), которые могут соединяться с помощью общих межсоединений. Межсоединения, выделенные на рисунке 4.7 серым цветом, состоят из отрезков проводящих линий и программируемых переключателей. Переключатели используются для установки соединений между разными сегментами проводящих линий. Построенный таким образом чип обладает исключительной гибкостью. Для доступа к выходным и входным контактам чипа здесь предназначены буферы ввода-вывода.

Существует множество конструкций логических блоков и структур межсоединений. Логическими блоками могут служить простейшие схемы на основе мультиплексоров, реализующие логические функции. В еще одной популярной конструкции в качестве логического блока используется простейшая таблица для выбора значения. Например, таблица с четырьмя входами может быть реализована в виде 16-разрядной схемы памяти, в которой хранится таблица истинности логической функции. Каждый бит памяти соответствует одной комбинации значений входных переменных. Путем программирования этой таблицы можно реализовать любую функцию четырех переменных. Еще логические блоки могут содержать триггеры, обеспечивающие дополнительную гибкость. В дополнение к логическим блокам многие программируемые вентильные матрицы включают достаточно большое количество ячеек памяти (на рис. 4.7 они не показаны), которые могут использоваться для реализации таких структур, как очереди или RAM-И ROM-компоненты в приложениях для встроенных процессоров. С точки зрения пользователя, между программируемыми вентильными матрицами и сложными программируемыми логическими устройствами имеются существенные различия. Функциональные возможности чипов вентильных матриц шире, и на их основе могут быть реализованы довольно большие и сложные логические схемы. Один такой чип может содержать более миллиона логических вентилей. Различна и скорость работы этих двух типов микросхем. Поскольку во внутренних межсоединениях вентильной матрицы используются программные переключатели, задержка на распространение сигнала в ней неизбежно будет более заметной, нежели у таких менее гибких устройств, как микросхемы ПМЛ или СПЛУ.

Программируемые вентильные матрицы становятся все более популярными у конструкторов цифровых логических устройств, поскольку они позволяют располагать на одном чипе очень сложные схемы и избегать разработки и создания пользовательских СБИС, что, во-первых, дорого, а во вторых, требует очень много времени. Пользуясь средствами автоматизированного проектирования, конструкторы могут создавать интегральные схемы на основе программируемых вентильных матриц не за месяцы, как пользовательские СБИС, а за считанные дни.

Даже самые большие ИС на основе программируемых вентильных матриц стоят несколько сотен долларов, и затраты, связанные с их разработкой, очень малы по сравнению с затратами на разработку пользовательских чипов. Основы программируемых логических устройств освещаются во многих современных книгах по проектированию логических схем. За более подробной информацией об этих устройствах читателя можно отослать и к документации от производителей.

Пример счетчика с прямым/обратным счетом

На рис. 3.47 показана конфигурация счетчика с прямым счетом (суммирующего счетчика), реализованного посредством трех триггеров. Этот счетчик считает в таком порядке: 0,1,2, …7,0,.... Для обратного счета, то есть счета в порядке 0,7,6, .применяются похожие схемы. При построении этих простых схем используется заложенная в Т-триггере возможность переключения состояний.

Сейчас же мы рассмотрим возможность реализации счетчиков на основе D-триггеров. В частности, речь пойдет о структуре счетчика, который способен считать как в прямом, так и в обратном порядке, в зависимости от значения на внешнем управляющем входе. Для того чтобы приводимый пример не оказался слишком большим, мы ограничимся счетом по модулю 4, для которого достаточно двух битов состояния, представляющих четыре возможных значения счетчика.

Счетчик будет сконструирован на основе стандартной технологии синтеза последовательных схем. Такая схема считает в прямом направлении, если входной сигнал х равен 0, и в обратном, если входной сигнал равен 1. Текущее значение счетчика будет изменяться на отрицательном фронте тактового сигнала. Предположим, что нас особо интересует состояние счетчика в тот момент, когда мы досчитаем до 2. Поэтому при значении счетчика 2 мы будем выдавать выходной сигнал z = 1, а все остальное время сигнал z будет равен 0.

Такой счетчик можно реализовать как последовательную схему. Для того чтобы определить новое значение счетчика, которое будет установлено после очередного тактового импульса, достаточно знать значение х и текущее значение счетчика. Предшествующие его значения для этого не нужны. Если текущее значение равно 2 и х = 0, следующим значением будет 3. И не важно, получено текущее значение путем прямого счета от 1 или путем обратного счета от 3.

Прежде чем показать, как реализуется такая схема, давайте опишем ее поведение с помощью диаграммы состояний. У нашего счетчика имеется четыре разных состояния: S0, S1, S2 и S3. Диаграмма состояний — это граф, в котором состояния представлены окружностями (иногда называемыми узлами). Переходы между состояниями представлены стрелками с надписями. Связанная со стрелкой надпись указывает, какое значение переменной х вызывает данный переход и какое значение счетчика получается в результате. Диаграмма состояний для нашего счетчика с прямым/обратным счетом приведена на рис. 4.8. Например, стрелка, исходящая

Рис. 4.8. Диаграмма состояния для счетчика с прямым/обратным счетом по модулю 4, сигнализирующего о значении 2

от состояния S1 (счетчик = 1) при х = 0, указывает на состояние S2. При этом сообщается, что пока схема находится в состоянии S1 и х = 0, выходное значение z должно быть равным 0. Стрелка, ведущая от узла S2 к узлу S3, указывает, что когда х = 0, на следующем такте будет выполнен переход в состояние S3, а выходное значение z будет установлено в 1.

Обратите внимание, что диаграмма состояний описывает функциональное поведение счетчика вне какой бы то ни было связи с его конкретной реализацией. Так, рис. 4.8 может соответствовать цифровой схеме, механическому счетному устройству или компьютерной программе. Подобные диаграммы позволяют описывать любую систему с последовательным поведением.

В качестве альтернативы диаграмме состояний для представления той же информации можно воспользоваться таблицей состояний (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Состояния для счетчика с прямым/обратным счетом

В ней описаны переходы из каждого текущего состояния в следующие состояния, определяемые входным значением х. Выходной сигнал z определяется текущим состоянием схемы и входным значением х. Определив функциональное поведение счетчика, можно переходить к его физической реализации.

Для того чтобы закодировать все четыре состояния счетчика, достаточно двух битов. Обозначим их как у₂ (старший бит) и у₁ (младший бит). Состояния счетчика, определяемые значениями переменных у₂ и y₁, мы 6удем записывать в форме у2у1. У нашего счетчика четыре состояния у2у1: S0 = 00, S1 = 01, S2 = 10 и S3 = 11.

Как видите, это просто двоичная запись чисел из диапазона от 0 до 3, применяемая для обеспечения наглядности счета. Переменные у2 и у1 называются переменными состояния последовательной схемы. При указанных значениях этих переменных таблицу состояний для нашего примера можно переписать так, как показано в табл. 4.2. Для обозначения следующих состоянии в ней используются переменные Y2 и Y1.

Таблица А.49

Значения состояний для примера, приведенного на рис. А.48

Мы могли бы выбрать и другие обозначения состояний у2у1. В частности, они могут быть такими: S0 = 10, S1= 11, S2 = 01 и S3= 00. Но такие обозначения не совсем логичны, хотя схема прекрасно бы функционировала. Реализация различных состояний обычно требует разных затрат.

Мы планировали создать нашу схему на основе D-триггеров, в которых значения двух переменных состояния будут сохраняться между последовательными тактовыми импульсами. Выход Q каждого триггера будет представлять переменную текущего состояния, а вход D — переменную следующего состояния Yi. Заметьте, что Yi является функцией переменных у2, у1 и х (табл. 4.2).

На основе представленной здесь таблицы для функций Y2 и Y1 можно составить вот такие выражения:

Y2 = у1 + у2 + х + у2у1х = у2Åу1Åх

Y1 = + у2 + х + у2 х =

Выходное значение z определяется следующим образом: Z = у2

С учетом этих выражений составляется схема, приведенная на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Реализация счетчика с прямым/обратным счетом