Программируемые логические интегральные схемы

Сергиенко А. М.

«VHDL для проектирования вычислительных устройств» К.: ЧП «Корнейчук», ООО «ТИД «ДС», 2003.

Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) появились полтора десятилетия назад как альтернатива программируемым логическим матрицам (ПЛМ). ПЛИС отличаются от последних как по архитектуре, так и по технологии изготовления.

ПЛМ представляет собой матрицу многовходовых (более десятка входов) логических элементов с триггерами, в которых программируются конституенты единиц дизъюнктивных нормальных форм функций этих элементов. В первых ПЛМ программирование выполнялось пережиганием перемычек между источниками сигналов переменных и входами логических элементов. Затем перемычки заменили МОП-транзисторами с плавающим затвором, как в электрически перепрограммируемом ПЗУ. Поэтому сейчас ПЛМ изготовляются по технологии флэш-памяти. Большие ПЛМ (CPLD) отличаются только тем, что несколько ПЛМ собраны на одном кристалле и объединены программируемым полем связей.

ПЛИС представляет собой матрицу маловходовых (от двух до пяти входов) логических элементов, триггеров, отрезков линий связи, соединяемых перемычками из полевых транзисторов. Судя по английскому названию — Field Programmable Gate Array (FPGA), ПЛИС программируются изменением уровня электрического поля (field) в затворах этих транзисторов. Затворы всех "программирующих" полевых транзисторов подключены к выходам триггеров одного длинного сдвигового регистра, который заполняется при программировании ПЛИС. Некоторые из участков этого регистра могут также исполнять роль ячеек ПЗУ.

Прошивка обычно хранится в ПЗУ, стоящем рядом с ПЛИС. После включения питания или по сигналу сброса она автоматически переписывается в программирующий сдвиговый регистр ПЛИС. Этот процесс называется конфигурированием ПЛИС. Так как основу ПЛИС составляют триггеры, хранящие прошивку, называемую конфигурацией, то ПЛИС изготавливаются по технологии микросхем статического ОЗУ.

По сравнению с CPLD, ПЛИС выигрывают, во-первых, в неограниченном количестве перепрограммирований, во-вторых, в логической емкости, в том числе в удельной емкости вентилей на цент, в-третьих, в малом энергопотреблении. Как правило, ПЛИС имеют на два-три порядка большую емкость в числе эквивалентных логических вентилей, чем CPLD и также как статическое ОЗУ, почти не потребляют энергии при отсутствии переключений. Поскольку топология ПЛИС регулярна и масштабируема, период разработки и внедрения ПЛИС новых серий сравнительно мал, и они изготовляются по самой современной технологии. Наконец, у ПЛИС на порядок выше надежность (ниже интенсивность отказов), чем у CPLD.