Programmierbares Logikgerät

Ein vereinfachtes PAL -Gerät. Die programmierbaren Elemente (als Sicherung gezeigt) verbinden sowohl die wahren als auch die komplementierten Eingänge mit den und den Toren. Diese und Tore, auch als Produktbegriffe bezeichnet, werden zusammen mit einem Logikarray der Produktsumme oriert.

A Programmierbares Logikgerät (PLD) ist ein elektronisch Komponente, die zum Erstellen verwendet werden rekonfigurierbar Digitale Schaltungen. Im Gegensatz zu digitaler Logik, die mit diskreter konstruiert wurden Logik -Tore Mit festen Funktionen hat eine PLD eine undefinierte Funktion am Zeit der Herstellung. Bevor die PLD in einer Schaltung verwendet werden kann, muss sie programmiert werden, um die gewünschte Funktion zu implementieren.[1] Im Vergleich zu festen Logikgeräten vereinfachen programmierbare Logikgeräte das Design komplexer Logik und bieten möglicherweise eine überlegene Leistung.[2] Anders als für MikroprozessorenDas Programmieren einer PLD ändert die Verbindungen zwischen den Toren im Gerät.

PLDs können in zunehmender Komplexität im Großen und Ganzen eingeteilt werden. Einfache programmierbare Logikgeräte (SPLDS), bestehend Programmierbare Array -Logik, Programmierbares Logikarray und Generische Array -Logik; Komplexe programmierbare Logikgeräte (CPLDs) und Feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs).

Geschichte

Im Jahr 1969,, Motorola bot das XC157 an, ein mit Mask programmiertes Gate-Array mit 12 Toren und 30 nicht verbindlichen Eingangs-/Ausgangsnadeln.[3]

1970,, Texas Instrumente entwickelte ein maskprogrammierbares IC basierend auf dem IBM schreibgeschützte assoziative Erinnerung oder Roam. Dieses Gerät, das TMS2000, wurde durch Veränderung der Metallschicht während der Herstellung des IC programmiert. Der TMS2000 hatte bis zu 17 Eingänge und 18 Ausgänge mit 8 JK Flip Flop für die Erinnerung. Ti geprägt den Begriff Programmierbares Logikarray (PLA) Für dieses Gerät.[4]

1971,, General Electric Unternehmen (GE) entwickelte ein programmierbares Logikgerät basierend auf dem neuen Programmierbares schreibgeschütztes Speicher (Prom) Technologie. Dieses experimentelle Gerät verbesserte sich beim Roam von IBM, indem sie eine mehrstufige Logik ermöglicht. Intel hatte gerade den schwimmenden Gate vorgestellt UV Löschlicher Prom, damit der Forscher bei GE diese Technologie eingebaut hat. Das GE -Gerät war das erste löschbare PLD, das jemals entwickelt wurde und vor der Altera Epld um über ein Jahrzehnt. GE erhielt mehrere frühe Patente auf programmierbaren Logikgeräten.[5][6][7]

1973 Nationaler Halbleiter führte ein Mask-programmierbares PLA-Gerät (DM7575) mit 14 Eingängen und 8 Ausgängen ohne Speicherregister ein. Dies war beliebter als der Ti -Teil, aber die Kosten für die Verbreitung der Metallmaske begrenzten ihre Verwendung. Das Gerät ist signifikant, da es die Grundlage für das von der Feld programmierbare Logikarray war, das von durch erstellt wurde Signetik 1975 der 82S100. (Intersil Tatsächlich übertroffene Signetics auf den Markt, aber die schlechte Renditen haben ihren Teil zum Scheitern verurteilt.)[8][9]

1974 schloss GE eine Vereinbarung mit ab Monolithische Erinnerungen (MMI) zur Entwicklung eines Maskenprogramms -Logikgeräts mit den GE -Innovationen. Das Gerät wurde als "programmierbares assoziatives Logikarray" oder Pala bezeichnet. Der MMI 5760 wurde 1976 fertiggestellt und konnte mehrstufige oder sequentielle Schaltungen von über 100 Gates implementieren. Das Gerät wurde durch eine GE -Designumgebung unterstützt, in der Boolesche Gleichungen in Mask -Muster für die Konfiguration des Geräts konvertiert werden. Der Teil wurde nie auf den Markt gebracht.[10]

PLA

Hauptartikel: Programmierbares Logikarray

1970,, Texas Instrumente entwickelte ein maskprogrammierbares IC basierend auf dem IBM schreibgeschützte assoziative Erinnerung oder Roam. Dieses Gerät, das TMS2000, wurde durch Veränderung der Metallschicht während der Herstellung des IC programmiert. Der TMS2000 hatte bis zu 17 Eingänge und 18 Ausgänge mit 8 JK Flip-Flops für die Erinnerung. Ti geprägt den Begriff Programmierbares Logikarray Für dieses Gerät.[4]

Ein programmierbares Logikarray (PLA) verfügt über ein programmierbares und ein Gate -Array, das mit einem programmierbaren oder Gate -Array verknüpft wird, das dann konditionell ergänzt werden kann, um einen Ausgang zu erzeugen. Eine PLA ähnelt einem ROM -Konzept, eine PLA liefert jedoch keine vollständige Decodierung einer Variablen und generiert nicht alle Minterms wie in einem ROM.

KUMPEL

Hauptartikel: Programmierbare Array -Logik

PAL-Geräte haben Arrays von Transistorzellen, die in einer "festen, programmierbaren und" Ebene zur Implementierung "Summe-of-Products" -Binärlogikgleichungen für jeden der Ausgänge in Bezug auf die Eingänge und entweder synchroner oder asynchrones Feedback angeordnet sind die Ausgänge.

MMI führte 1978 ein Durchbruchsgerät ein, die Programmierbare Array -Logik oder Kumpel. Die Architektur war einfacher als die von Signetics FPLA, da sie das programmierbare oder Array ausgelassen hat. Dies machte die Teile schneller, kleiner und billiger. Sie waren in 20 Pin -300 -mil -Dip -Paketen erhältlich, während die FPLAs in 28 Pin 600 -mil -Paketen erhielt. Das PAL -Handbuch entmystifizierte den Entwurfsprozess. Die Palasm Design -Software (PAL Assembler) hat die Booleschen Gleichungen der Ingenieure in das Sicherungsmuster umgewandelt, das erforderlich ist, um das Teil zu programmieren. Die PAL -Geräte waren bald Zweitqualz von National Semiconductor, Texas Instruments und AMD.

Nachdem MMI die 20-poligen Kumpel-Teile gelungen war, AMD stellte den 24-poligen 22V10 PAL mit zusätzlichen Funktionen ein. Nach dem Kauf von MMI (1987) sponnen AMD einen konsolidierten Betrieb als Vantisund dieses Geschäft wurde von übernommen von Gitter -Halbleiter im Jahr 1999.

Mädels

Hauptartikel: Generische Array -Logik
Gitter Gal 16v8 und 20V8

Eine Verbesserung des Kumpels war das generische Array -Logikgerät oder ein Mädchen, das von erfunden wurde Gitter -Halbleiter 1985. Dieses Gerät hat die gleichen logischen Eigenschaften wie der Kumpel, kann aber gelöscht und neu programmiert werden. Das Mädchen ist in der Prototypingsphase eines Designs sehr nützlich, wenn dies vorhanden ist Käfer in der Logik kann durch Reprogrammierung korrigiert werden. Mädels werden mit einem PAL -Programmierer oder mit der Verwendung des PAL -Programms programmiert und neu programmiert In-Circuit-Programmierung Technik zur Unterstützung von Chips.

Gittermänder verbinden sich CMOs und elektrisch löschen (e)2) Floating Gate-Technologie für ein Hochgeschwindigkeits-Logikgerät mit geringer Leistung. Ein ähnliches Gerät, das als Peel (programmierbare elektrisch löschbare Logik) bezeichnet wird, wurde von der ICT Corporation der International CMOS Technology (ICT) eingeführt.

CPLDs

Hauptartikel: Komplexes programmierbares Logikgerät

Kumpel und Mädels sind nur in kleinen Größen erhältlich, was ein paar hundert Logikstoren entspricht. Für größere Logikschaltungen, komplexe PLDs oder CPLDs kann verwendet werden. Diese enthalten das Äquivalent mehrerer Freunde, die durch programmierbare Verbindungen verbunden sind, alle in einem Integrierter Schaltkreis. CPLDs können Tausende oder sogar Hunderttausende logischer Tore ersetzen.

Einige CPLDs werden mit einem PAL -Programmierer programmiert, aber diese Methode wird für Geräte mit Hunderten von Stiften unpraktisch. Eine zweite Methode der Programmierung besteht darin, das Gerät auf seine gedruckte Leiterplatte zu löten und es dann mit einem seriellen Datenstrom von einem PC von einem Personal Computer zu füttern. Die CPLD enthält eine Schaltung, die den Datenstrom dekodiert und die CPLD so konfiguriert, dass sie ihre angegebene Logikfunktion ausführt. Einige Hersteller (einschließlich Altera und Microsemi) verwenden Jtag CPLDS in Kreislauf von .MARMELADE Dateien.

Fpgas

Hauptartikel: Feldprogrammierbares Gate-Array

Während PALS zu Mädels und CPLDs (alle oben diskutiert) entwickelt wurde, wurde ein separater Entwicklungsstrom geschieht. Diese Art von Gerät basiert auf Gate -Array Technologie und heißt die Feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA). Frühe Beispiele für FPGAs sind das 82S100 -Array und 82S105 -Sequenzer von Signetics, die Ende der 1970er Jahre eingeführt wurden. Der 82S100 war eine Reihe von und Begriffen. Der 82S105 hatte auch Flip -Flop -Funktionen.

(Bemerkung: 82S100 und ähnliche ICs aus Signetics haben Pla-Struktur und Ebene + Or-Ebene)

FPGAs verwenden ein Gitter von Logik -Toreund einmal gespeichert, ändert sich die Daten nicht, ähnlich wie bei einem gewöhnlichen Gate -Array. Der Begriff "Feldprogrammierbar" bedeutet, dass das Gerät vom Kunden und nicht vom Hersteller programmiert wird.

FPGAs sind normalerweise programmiert, nachdem sie auf die Leiterplatte gelötet wurden, ähnlich wie bei größeren CPLDs. In den meisten größeren FPGAs ist die Konfiguration flüchtig und muss in das Gerät erneut belastet werden, wenn Strom angewendet wird oder eine unterschiedliche Funktionalität erforderlich ist. Die Konfiguration wird normalerweise in einer Konfiguration gespeichert ABSCHLUSSBALL oder Eeprom. EEPROM-Versionen können im System programmierbar sein (normalerweise über Jtag).

Der Unterschied zwischen FPGAs und CPLDs besteht darin, dass FPGAs intern basieren Nachschlagetabellen (LUTS) Während CPLDs die Logikfunktionen mit Seebeträgern bilden (z. Summe der Produkte). CPLDs sind für einfachere Designs gedacht, während FPGAs für komplexere Designs gedacht sind. Im Allgemeinen sind CPLDs eine gute Wahl für breit Kombinationslogik Anwendungen, während FPGAs eher für große geeignet sind Staatsmaschinen wie zum Beispiel Mikroprozessoren.

Eplds

Eine Epld von Zypresse in einem PLCC-Paket

Verwenden der gleichen Technologie wie Eproms, EpldS haben ein Quarzfenster in der Packung, mit der es bei UV -Licht ausgelöst werden kann.[11][12]

Verwenden der gleichen Technologie wie Eeprome, EEplds kann elektrisch gelöscht werden.[11][12]

Ein Löschbares programmierbares Logikgerät (Epld) ist eine integrierte Schaltung, die eine Reihe von PLDs umfasst, die nicht vorverbunden sind; Die Verbindungen werden vom Benutzer elektrisch programmiert. Die meisten GAL- und FPGA -Geräte sind Beispiele für EPLDs.

Andere Varianten

Dies sind Mikroprozessorschaltungen, die einige enthalten feste Funktionen und andere Funktionen, die durch Code geändert werden können, der auf dem Prozessor ausgeführt wird. Durch das Entwerfen von Selbstveränderungssystemen müssen Ingenieure neue Methoden lernen und neue Softwaretools entwickelt werden.

PLDs werden jetzt verkauft, die einen Mikroprozessor mit einer festen Funktion enthalten (die sogenannte Ader) umgeben von programmierbarer Logik. Mit diesen Geräten können sich Designer darauf konzentrieren, neue Funktionen zu Designs hinzuzufügen, ohne sich Sorgen machen zu müssen, dass der Mikroprozessor funktioniert. Außerdem nimmt der Microprozessor mit fester Funktionen weniger Platz auf den Chip als ein Teil des programmierbaren Gate-Arrays, der denselben Prozessor implementiert, sodass das programmierbare Gate-Array mehr Platz für die speziellen Schaltungen des Designers enthält.

Wie PLDs ihre Konfiguration behalten

Eine PLD ist eine Kombination aus einem Logikgerät und a Erinnerung Gerät. Der Speicher wird verwendet, um das Muster zu speichern, das dem Chip während der Programmierung gegeben wurde. Die meisten Methoden zum Speichern von Daten in einem integrierten Schaltkreis wurden zur Verwendung in PLDs angepasst. Diese beinhalten:

Siliziumantifus sind Verbindungen, die durch Auftragen einer Spannung auf einen modifizierten Siliziumbereich im Chip hergestellt werden. Sie werden als Antifusse bezeichnet, weil sie in entgegengesetzter Weise zu normalen Sicherungen arbeiten, die als Verbindungen als Verbindungen beginnen, bis sie von einem elektrischen Strom unterbrochen werden.

SRAM oder statischer RAM ist eine flüchtige Art von Speicher, was bedeutet, dass sein Inhalt bei jedem Ausschalten der Leistung verloren geht. SRAM-basierte PLDs müssen daher jedes Mal programmiert werden, wenn die Schaltung eingeschaltet wird. Dies geschieht normalerweise automatisch von einem anderen Teil der Schaltung.

Eine Eprom -Speicherzelle ist a Mosfet (Metal-Oxid-Halbleiter-Feld-Effekt-Transistor oder MOS-Transistor), der durch dauerhaft auf der Gate-Elektrode eingeschaltet werden kann. Dies geschieht von einem PAL -Programmierer. Die Gebühr bleibt viele Jahre und kann nur entfernt werden, indem der Chip stark ausgesetzt wird Ultraviolett Licht in einem Gerät namens Eprom -Radiergummi.

Der Flash-Speicher ist nicht flüchtig und behält seinen Inhalt bei, auch wenn der Strom ausgeschaltet ist. Es wird aufbewahrt schwimmend-gate MOSFET Gedächtniszellen und können nach Bedarf gelöscht und neu programmiert werden. Dies macht es in PLDs nützlich, die häufig neu programmiert werden können, wie beispielsweise PLDs, die in Prototypen verwendet werden. Der Flash -Speicher ist eine Art EEPROM, das Informationen unter Verwendung von Elektrogebern wie EPROM enthält. Infolgedessen kann der Flash -Speicher jahrelang Informationen enthalten, möglicherweise jedoch nicht so viele Jahre wie EPROM.

Ab 2005 sind die meisten CPLDs elektrisch programmierbar und löschbar und nichtflüchtig. Dies liegt daran, dass sie zu klein sind, um die Unannehmlichkeiten der Programmierung interner SRAM -Zellen bei jedem Start zu rechtfertigen, und EPROM -Zellen sind aufgrund ihres Keramikpakets mit einem Quarzfenster teurer.

PLD -Programmiersprachen

Viele PAL -Programmiergeräte akzeptieren Eingaben in einem Standarddateiformat, das allgemein als 'bezeichnet wird.JEDEC Dateien '. Sie sind analog zu Software Compiler. Die als Quellcode für Logik -Compiler verwendeten Sprachen werden aufgerufen Hardware -Beschreibung Sprachen, oder hdls.[1]

Palasm, Abel und CUpl werden häufig für Geräte mit niedriger Komplexität verwendet Verilog und VHDL sind beliebte Beschreibungssprachen auf höherer Ebene für komplexere Geräte. Der begrenztere Abel wird oft aus historischen Gründen verwendet, aber für neue Designs ist VHDL selbst für Niedrigkomplexitätsdesigns beliebter.

Für moderne PLD -Programmiersprachen, Designflüsse und Werkzeuge siehe FPGA und Rekonfigurierbares Computer.

PLD -Programmiergeräte

A Geräteprogrammierer wird verwendet, um das Boolesche Logikmuster in das programmierbare Gerät zu übertragen. In den frühen Tagen der programmierbaren Logik produzierte jeder PLD -Hersteller auch einen spezialisierten Geräteprogrammierer für seine Familie von Logikgeräten. Später kamen universelle Geräteprogrammierer auf den Markt, auf dem mehrere Logic -Gerätefamilien verschiedener Hersteller unterstützt wurden. Heutige Geräteprogrammierer können normalerweise gemeinsame PLDs (hauptsächlich PAL/Gal -Äquivalente) von allen vorhandenen Herstellern programmieren. Gemeinsame Dateiformate zum Speichern des Booleschen Logikmusters (Sicherungen) sind JEDEC, Altera POF (programmierbare Objektdatei) oder Xilinx Bitstream.[13]

Siehe auch

Verweise

  1. ^ a b Horowitz, Paul; Hill, Winfield (2015). Horowitz P., Hill W. - Die Kunst der Elektronik. New York. p. 764. ISBN 978-0-521-80926-9.
  2. ^ Holdsworth, b.; Woods, R. C. (2003). Digitales Logikdesign (4. Aufl.). Elsevier. ISBN 978-0-7506-4582-9.
  3. ^ Motorola Semiconductor Data Book, vierte Ausgabe. Motorola Inc. 1969. p. IC-73.
  4. ^ a b Andres, Kent (Oktober 1970). Ein Anwendungsbericht von Texas Instruments: MOS programmierbare Logik -Arrays. Texas Instrumente. Bulletin CA-158. Der Bericht führt die TMS2000- und TMS2200 -Serie von maskprogrammierbaren PLAs ein.
  5. ^ Greer, David L. Elektrisch programmierbare Logikschaltungen US -Patent 3.818.452. Beauftragter: General Electric, eingereicht: 28. April 1972, gewährt: 18. Juni 1974
  6. ^ Greer, David L. Multiple -Level -assoziative Logikschaltungen US -Patent 3.816.725. Beauftragter: General Electric, eingereicht: 28. April 1972, gewährt: 11. Juni 1974
  7. ^ Greer, David L. Segmentierte assoziative Logikkreise US -Patent 3.849.638. Beauftragter: General Electric, eingereicht: 18. Juli 1973, gewährt: 19. November 1974
  8. ^ "Halbleiter und ICs: FPLA". Edn. Boston, MA: Cahners Publishing. 20 (13): 66. 20. Juli 1975. Pressemitteilung auf dem Intersil IM5200 -Feldprogrammierlogikarray. Vierzehn Eingabestifte und 48 Produktbegriffe. Avalanchiert-induzierte Migrationsprogrammierung. Der Einheitspreis betrug 37,50 USD
  9. ^ "FPLA geben eine schnelle benutzerdefinierte Logik". Edn. Boston, MA: Cahners Publishing. 20 (13): 61. 20. Juli 1975. Pressemitteilung auf Signetics 82S100 und 82S101 Feld Programmierlogische Arrays. Vierzehn Eingabestifte, 8 Ausgangsstifte und 48 Produktbegriffe. NICR Sicherung Link -Programmierung.
  10. ^ Pellerin, David; Michael Holley (1991). Praktisches Design mit programmierbarer Logik. Prentice-Hall. p. fünfzehn. ISBN 0-13-723834-7.
  11. ^ a b Tertulien ndjountche."Digitale Elektronik 2: Sequentielle und arithmetische Logikschaltungen". 2016. p. 224.
  12. ^ a b Clive Maxfield."Der Leitfaden von Design Warrior zu FPGAs". 2004. p. 20
  13. ^ PLD -Dateiformate

Externe Links