11 Програмируема комбинационна логика

Първата програмируема интегрална логическа схема е диодната ло­гическа ИЛИ матрица, появила се в началото на 60-те години. Тя представлява съвокупност от редове и колони, свързани в пресечните точки с диоди и прогоряеми връзки. Връзките могат селективно да бъ­дат прогаряни, елиминирайки някои от кръстосаните съединения и

оставяйки другите. На фиг. 3.36 е показана диодна ИЛИ матрица за четири функции Fj от четири входни величини 7/. Всяка функция реа­лизира логическа сума на входните величини Fj = Ij + I2 + I3 + Ц- С прогаряне на връзка се елиминира член от тази сума.

Следващата стъпка в развити­ето на програмируемата логика е добавянето на входен дешифра-тор и изходни буфери към диод-ната логическа ИЛИ матрица. Те­зи допълнения на програмируе­мата логика позволяват тя да до­бие ново качествено съдържание. Преди всичко е съкратен броят на изводите за входните сигнали, като те се декодират вътре в логи­ческата структура. На второ мяс­то, чрез изходните буфери се отс­траняват недостатъците на диод-ната логика и изходните сигнали стават пълноценни логически си­гнали. На фиг. 3.37 е показана структурата на програмируема ло-

гика с четири функции на две променливи.

Програмируема постоянна памет— PROM

В основата на създаването на съвременните програмируеми логи­чески схеми стои обобщеното уравнение на произволна функция .Рна п променливи. Тя представлява 2^П логически суми от произведенията на единичната функция fj с минтермите щ на входните величини:

Например, при две входни променливи Хд и Xj, разгънатата форма на уравнението за произволна функция има вида:

Единичните функции fj могат да заемат само стойности 0 или /. Така например, за логическото произведение на входните величини F= XqXj, fg= fj = /2 = 0, и fj = /. Може да се докаже, използувайки теоремите за преобразуване на логически уравнения, че за логическата сума на входните величини F = Хд + Xj, fg= On fj = /2= 11.2.?з⁼ 1-

Логическата структура, която реализира обобщеното уравнение на произволна логическа функция, представлява една от основните видо­ве програмируеми логики — програмируемата постоянна памет PROM (Programmable Read Only Memory).

Дешифраторът изработва минтермите на входните величини, а ди-одната ИЛИ матрица осигурява сумирането на онези минтерми, за които единичните функции в конкретното уравнение са /. Кодиране­то на стойностите на единичните функции 0 или / се извършва в ИЛИ матрицата чрез прогаряне или оставяне на съответните кръсто­сани диодни връзки. При това, може да се заложи логика за реализи­рането на няколко функции (използуват се една и съща логика за формирането на минтермите).

Формирането на минтермите (дешифрирането на входните про­менливи) също може да се извърши с диодна матрица, но тя трябва да реализира логическата функция И.

На фиг. 3.38 е показана структура на PROM c шестнадесет думи по четири бита всяка, с която могат да се генерират четири произволни функции на четири променливи. За удобство, местата на диодните връзки в матриците са показани условно, като фиксираните са озна­чени с кръгчета, а програмируемите — с кръстчета. Полето на И мат­рицата, изработващо минтермите, е фиксирано и не подлежи на прог­рамиране, докато полето на ИЛИ матрицата се програмира от потре­бителя според стойностите на единичните функции в уравненията на желаните от него изходни функции

С развитието на интегралната технология, се използуват и други начини за реализиране на логическите функции И и ИЛИ в матрици­те — например с използуването на MOS вентили с плаващ гейт и възможност за изтриване с ултравиолетова светлина или електрически импулс (репрограмируеми постоянни памети) и др.

Дотук става ясно, че всяка постоянна памет може да се използува като универсална комбинационна логическа структура. Според основ­ното си предназначение (за съхраняване на информация), входовете за променливите в постоянните памети се наричат адреси, а изходни­те величини — данни.

За генератор на логически функции, структурата на PROM е много неикономична по отношение на използуваемостта на заложените в нея елементи. Формирането на всички минтерми силно уголемява въ­трешната програмируема матрица, при това всеки допълнителен вход удвоява нейния обем. В повечето от практическите случаи, не е необ­ходимо наличието на всички минтерми.

Това е довело до идеята за съ­здаването на по-малка програми­руема структура, в която е огра­ничен броят на възможните мин­терми на входните величини и той е по-малък от 2^п.

Такава примерна структура за четири входни величини и четири изходни функции е показана на фиг. 3.39. Тя се нарича програми­руема логическа матрица PLA (Programmable Logic Array). Както се вижда, броят на минтермите е ограничен в примера до 8, вместо максималните 16. Полето на ло­гическата И матрица обаче също е програмируемо, благодарение на което потребителят може да формира онези минтерми, които са му необходими. В примера, той може да ползува 8 от всички 16 възможни минтерми. Тъй като понятието PLA се използува и в по-широкия смисъл, за именува­не на програмируема логика, примерната структура от фиг3.39 се нарича още логическа матрица с програмируемо поле FPLA (Field-Programmable Logic Array)

PLA концепцията позволява лесно да се изграждат програмируеми структури с много входни величини. Тя не може да генерира абсолют­но всички функции на входните величини, но с успех задоволява по­вечето от съществуващите в практиката потребности. В действител­ност, при нея само е ограничен броят на логическите суми в общото уравнение на произволна логическа функция.

Недостатък на PLA е наличието на две програмируеми от потреби­теля полета — това на матрицата И и това на матрицата ИЛИ, което представлява определено проектантско и технологично неудобство. Това неудобство е отстранено при програмируемата матрична логика PAL (Programmable Array Logic). При нея, броят на възможните мин-терми също е ограничен на по-малък от 2F.

Ограничението обаче е извър­шено чрез фиксиране на опреде­лен брой връзки в полето на ло­гическата матрица ИЛИ, извър­шено от производителя. Полето на матрицата И е оставено за програмиране от потребителя, който и тук може да избира кои минтерми да формира.

Примерна схема на PAL c че­тири входни величини и две из­ходни функции е показана на фиг. 3.40. Броят на минтермите за всяка от двете функции е огра­ничен на 4, което означава, че реализирането на функция трябва да се ограничи до логическото събиране само на 4 минтерми от всичките 16 възможни минтерми.

Частта от програмируемата И матрица и фиксираната ИЛИ ма­трица, необходими за реализира­нето на една функция, се нарича основна клетка на PAL. При пра­ктическото интегрално изпълнение на PAL, се използуват различни по състав основни клетки, който притежават и някои допълнения, спрямо класическата теоретична по­становка. Като пример, на фиг. 3.41 е показана основната клетка на комбинационния PAL 16L8.