Programowalne uk ady logiczne
Termin logiczne uk ady programowalne PLD (Programmable Logic Devices) odnosi si do
ka dego cyfrowego uk adu scalonego, którego w a ciwo ci funkcjonalne mog by
zdefiniowane (ustalane) przez ko cowego u ytkownika, który mo e zaimplementowa w jego
strukturze opracowany przez siebie projekt jakiego wyspecjalizowanego uk adu cyfrowego.
Najwa niejsz cech tych uk adów jest wi c ich konfigurowalno przez u ytkownika w jego
w asnym laboratorium.
Wspó czesne uk ady programowalne klasyfikuje si najcz ciej w trzech grupach, przy czym
kryterium klasyfikacji s g ównie cechy ich architektury. Najcz ciej przyjmuje si , e uk ady
PLD dzieli si na:
" SPLD (Simple Programmable Logic Device)  proste uk ady programowalne,
" CPLD (Complex Programmable Logic Devices)  z o one uk ady programowalne,
" FPGA (Field Programmable Gate Array)  programowalne matryce bramkowe.
Do uk adów SPLD zalicza si uk ady programowalne o architekturach PLA (Programmable
Logic Array), PAL (Programmable Array Logic) i GAL (Generic Array Logic). S to uk ady o
najskromniejszych mo liwo ciach logicznych, a wi c i najta sze ze wszystkich uk adów
programowalnych. Niemniej jednak ich zasoby logiczne s spore, zawieraj bowiem typowo od
4 do 22 makrokomórek logicznych o dwupoziomowej strukturze logicznej i mog zwykle
zast pi kilka standardowych uk adów scalonych rodziny 74xx. Ka da z komórek jest zwykle w
pe ni po czona z innymi komórkami w danym uk adzie scalonym. Do okre lenia funkcji
realizowanych przez makrokomórki (ich skonfigurowania) stosowane s czniki (klucze),
którymi s w wi kszo ci przypadków przepalane fragmenty cie ek ( czniki rozwarciowe  dla
uk adów PLA i PAL) lub tranzystory MOS (dla uk adów GAL).
Uk ady CPLD s koncepcyjnie podobne do uk adów SPLD, lecz s bardziej z o one: maj
wi ksze zasoby logiczne i mo liwo ci funkcjonalne. Ich architektura ma struktur hierarchiczn
opart na makrokomórkach logicznych, których zawieraj od kilkudziesi ciu do kilkuset.
Typowo od czterech do szesnastu makrokomórek jest po czonych w wi kszy blok
funkcjonalny. Jedn z wa niejszych cech architektury uk adów CPLD jest liczba termów
przypadaj cych na pojedyncz makrokomórk oraz mo liwo po yczki termów z s siednich
makrokomórek. Je li uk ad zawiera wiele bloków funkcjonalnych, s one czone mi dzy sob
za pomoc matrycy po czeniowej kluczy, której zdolno czeniowa jest wa n cech
uk adów CPLD. Ta liczba po cze wewn trz matrycy okre la bowiem, jak atwo jest
 wpasowa  jaki projekt w dany uk ad programowalny.
Architektura uk adów FPGA ró ni si od architektury uk adów CPLD. Na ogó uk ady FPGA
zawieraj rozmieszczone matrycowo boki logiczne CLB (rys. 4.1). Poszczególne bloki s
czone ze sob za po rednictwem linii traktów po czeniowych (Routing Channels) oraz
programowalnych matryc kluczy po czeniowych umieszczonych w miejscu krzy owania si
traktów poziomych i pionowych. Na obrze ach matrycy bloków logicznych znajduj si
programowalne bloki IOB (wej ciowo-wyj ciowe). Struktury FPGA zawieraj od 64 do
dziesi tków tysi cy bloków logicznych o bardzo zró nicowanej budowie. Bloki logiczne mog
by bardzo z o one, jest ich wówczas mniej w uk adzie, lub wzgl dnie proste i jest ich wówczas
wi cej. Zazwyczaj z o one bloki logiczne zawieraj dwie lub wi cej pami ci RAM
umo liwiaj cych tworzenie tablic warto ci funkcji LUT (Look-up Table) i dwa lub wi cej
przerzutników. W wi kszo ci uk adów s to tablice czterowej ciowe (pami RAM o
pojemno ci 16 bitów). W uk adach o prostszej budowie, bloki logiczne zawieraj zwykle
dwuwej ciowe uk ady generacji funkcji kombinacyjnych lub multipleksery czterowej ciowe i
ewentualnie przerzutniki.
Schemat blokowy uk adu FPGA
Do grupy najwi kszych producentów uk adów programowalnych i narz dzi komputerowych do
ich syntezy nale nast puj ce firmy: Altera (www.altera.com), Lattice (www.latticesemi.com),
Xilinx (www.xilinx.com), Cypress (www.cypress.com), Atmel (www.atmel.com) i QuickLogic
(www.quicklogic.com).
Uk ady logiczne SPLD na przyk adzie uk adu GAL16V8
Obecnie najpopularniejsz grup uk adów SPLD s uk ady GAL, w których wykorzystano
architektur PAL wzbogacon o konfigurowalne makrokomórki wyj ciowe zawieraj ce
przerzutniki typu D. Przerzutniki te spe niaj rol wyj ciowych elementów pami ciowych
umo liwiaj cych budowanie uk adów synchronicznych.
Uk ady programowalne GAL zostan przedstawione na przyk adzie uk adu GAL16V8 firmy
Lattice. Jest on wykonany w technologii CMOS i zawiera elektrycznie reprogramowalne
komórki pami ci typu E2CMOS. Uk ad ten charakteryzuje si nast puj cymi cechami:
" Wysoko wydajna technologia E2CMOS (3,5ns maksymalny czas propagacji, Fmax=
" 250MHz, 3ns od wej cia zegara do wyj cia danych).
" Rezystory podwieszone na ka dej ko cówce (active pull-up).
" Technologia E2CELL (rekonfigurowalna logika, reprogramowalne komórki, bardzo
" szybkie elektrycznie kasowanie (poni ej 100ms), czas podtrzymywania danych 20 lat).
" Osiem wyj ciowych makrokomórek (programowalna polaryzacja wyj , emulacja 20-
pinowych uk adów PAL).
" Wst pny zapis (preload) i reset po w czeniu zasilania (power-on reset) wszystkich
rejestrów .
Identyfikacyjny  elektroniczny podpis zawarty w uk adzie.
Uk ad sk ada si z nast puj cych bloków:
" z 9 buforów wej ciowych,
" matrycy po cze logicznych PROGRAMMABLE AND-ARRAY,
" z 8 programowalnych logicznych wyj ciowych makrokomórek OLMC (Output Logic
" MacroCell),
" 8 trójstanowych buforów wyj ciowych konfigurowanych przez u ytkownika,
" uk adu ochrony danych przed odczytem.
Input Line Numbers
Product Line First Number
1 Vcc 20
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
00
OLMC
32
64
96
XOR=2048
128
19 C, I 1 20 Vcc
160
192 AC1=2120
224
PTD=2128
8
2 -2135
256
OLMC I 2 OLMC 19 I/O
288
320
352 XOR=2049
384
18
416
AC1=2121 8
448
480
PTD=2136
3 -2143
I 3 OLMC 18 I/O
512
OLMC
544
576
8
608 XOR=2050
640
17
672
AC1=2122
704
736
I 4 OLMC 17 I/O
PTD=2144
4 -2151
8
768
OLMC
800
832
864 XOR=2051
896
16 I 5 OLMC 16 I/O
928
AC1=2123
960
992
PTD=2152
AND
-2159 8
5
ARRAY
1024
OLMC
1056
1088 I 6 OLMC 15 I/O
1120
XOR=2052
1152
15
1184
AC1=2124
1216
1248 8
PTD=2160
6 -2167
I 7 OLMC 14 I/O
1280
OLMC
1312
1344
1376 XOR=2053
8
1408
14
1440
AC1=2125
1472
1504
PTD=2168
I 8 OLMC 13 I/O
-2175
7
1536
8
1568 OLMC
1600
1632
XOR=2054
1664
13
1696
I 9 OLMC 12 I/O
1728 AC1=2126
1760
PTD=2176
8 -2183
1792
OLMC
1824
1856 GND 10 11 /G, I
1888
XOR=2055
1920
12
1952
AC1=2127
1984
2016
PTD=2184
-2191
9
GAL 16V8 Block Diagram - DIP Connections
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
JEDEC Logic Array Cell Number = Product Line First Cell Number + Input Line Number
11
10 GND
2056 2064 2072 2080 2088 2096 2104 2112 2119
BYTE 0 BYTE 1 BYTE 2 BYTE 3 BYTE 4 BYTE 5 BYTE 6 BYTE 7
User Electronic Signature Word
MSB LSB LSB
MSB
GAL 16V8 Logic Diagram
Bufory wej ciowe uk adu GAL16V8 s kompatybilne ze standartowymi poziomami TTL.
Bufory te charakteryzuj si wysoka impedancj i reprezentuj o wiele mniejsze obci eniedla
steruj cej logiki ni bipolarne uk ady TTL. Wej cia uk adu maja wbudowane aktywne rezystory
podwieszaj ce (Active Pull-Up), wi c niepo czone b d w stanie  wysokim (logiczna  1 ).
Producent zaleca aby wszystkie nieu ywane wej cia uk adu i trzystanowe piny I/O by y
pod czone do zasilania uk adu lub masy. Zwi ksza to odporno na zak ócenia i redukuje pr d
pobierany przez uk ad.
Matryca po cze logicznych sk ada si z programowalnej macierzy typu AND array z
ustalonymi po czeniami do bramek typu OR. Pole logicznych po cze jest zorganizowane jako
16 komplementarnych linii wej ciowych (z sygna ami i ich negacjami) krzy uj cych si z 64
liniami typu  product term . Na ka dym skrzy owaniu linii znajduje si komórka typu
E2PROM, która w zale no ci od zaprogramowania zwiera lub rozwiera lini poziom od
pionowej. cznie w matrycy znajduje si 2048 komórek
STRUKTURA GAL
BUDOWA MAKROKOMÓRKI
OE
clk TO
ADJACENT
STAGE
TS
MUX
Vcc
I/O (n)
O
MUX
PT
D Q
MUX
Q
FROM
AND
F
ARRAY
MUX
XOR(n)
FEED
BACK
FROM
ADJACENT
clk
OE
STAGE
OUTPUT (m)
Schemat logiczny makrokomórki OLMC
Konfiguracja komórki OLMC jest ustawiana przez programatory i oprogramowanie
narz dziowe oraz jest ca kowicie niewidoczna (przezroczysta) dla u ytkownika. Komórk
OLMC mo na ustawi w trzech trybach:
" prostym (simple),
" z o onym (complex),
" rejestrowym (registered).
O konfiguracji wszystkich makrokomórek OLMC decyduj dwa globalne bity SYN i AC0.
Bit XOR ka dej komórki ustawia polaryzacj wyj cia w ka dym z trzech trybów, natomiast bit
AC1 ustala kierunek (wej cie lub wyj cie). Dwa globalne i 16 indywidualnych bitów definiuje
wszystkie mo liwe konfiguracje uk adu GAL16V8. Kompilatory ustawi te bity automatycznie
tak, i u ytkownik nie musi ich samodzielnie ustawia . Ni ej podana jest w tabeli poni ej lista
deklaracji uk adu GAL dla poszczególnych kompilatorów, za pomoc których mo na wybra
tryb pracy uk adu GAL (typ wyj cia komórki OLMC). W pierwszej kolumnie tabeli zawarto list
dost pnych kompilatorów.
Uk ady logiczne CPLD na przyk adzie rodziny uk adów XC9500 firmy
Xilinx
Uk ady logiczne CPLD zostan przedstawione na przyk adzie rodziny uk adów XC9500 firmy
Xilinx. S one programowalne i testowalne w docelowym mse. Rodzina ta charakteryzuje si
nast puj cymi w a ciwo ciami:
" du a szybko dzia ania (5ns opó nienia pomi dzy pinami, fCNT do 125 MHz),
" du a g sto upakowania (od 36 do 288 makrokomórek z 800 do 6,400 u ytecznymi
bramkami),
" uk ady programowalne w systemie o napi ciu zasilania 5V (mo liwo wykonania
10000 cykli programowania/kasowania),
" uk ady sk adaj si z  elastycznych bloków funkcyjnych (odpowiadaj cych uk adom
" GAL typu 36V18), 90 linii product terms steruj cych pojedynczymi lub wszystkimi 18
makrokomórkami wewn trz bloku funkcyjnego,
" posiadaj interfejs standardu IEEE 1149.1 (JTAG),
" zapewniaj programowalny tryb redukcji mocy dla ka dej komórki,
" wyj cia uk adów przewodz pr d do 24mA,
" piny wej ciowo-wyj ciowe mog by ustawione na standard 3,3V lub 5V.
" W tabeli poni ej zestawiono uk ady rodziny XC9500. Jak wida g sto upakowania
u ywanych bramek logicznych mie ci si w przedziale od 800 do ponad 6400, a
rejestrów od 36 do 288.
Rodzina uk adów XC9500
Na potrzeby programowania i testowania uk adów w systemie rozszerzono list instrukcji
steruj cych interfejsem JTAG. Zatem interfejs ten pozwala nie tylko na testowanie zgodnie ze
standardem IEEE 1149.1, ale równie i programowanie uk adów zamontowanych ju w
systemie.
Architektura uk adów rodziny XC9500
Mo liwo przeprowadzania wielokrotnej liczby cykli programowania/kasowania zapewnia
du swobod w zmienianiu wewn trznej konfiguracji uk adów, czy uaktualnianiu zawartych w
nich projektów. Dodatkowo zapewniono kontrol szybko ci narastania napi wyj ciowych
oraz umo liwiono programowe uziemienie pinów w celu lepszej redukcji szumów. Urz dzenia
wej cia/wyj cia mog by konfigurowane dla napi 3,3V oraz 5V.
Wszystkie wyj cia przewodz pr d do 24mA. Ka dy uk ad XC9500 jest podsystemem
zawieraj cym bloki funkcyjne (FB  Function Block) i bloki wej cia/wyj cia (IOB  I/O
Block), które s czone mi dzy sob za pomoc matrycy prze czaj cej (FastCONNECT
switch matrix) (rys. 4.8).
Bloki IOB mi dzy innymi buforuj sygna y wej ciowe i wyj ciowe z uk adu oraz zapewniaj
odpowiednie parametry elektryczne zacisków.
Ka dy blok funkcyjny FB daje mo liwo zaprogramowania 36 wej i 18 wyj . Matryca
prze czaj ca czy wszystkie wyj cia bloku FB z wej ciami innego bloku FB. Dla ka dego
bloku FB wyj cia w liczbie od 12 do 18 (w zale no ci od liczby wyprowadze obudowy)
skojarzone z sygna ami output enable steruj bezpo rednio blokami IOB.
Blok funkcyjny (FB) uk adów rodziny XC9500
Ka dy blok funkcyjny, jak przedstawiono na rys. 4.9, sk ada si z 18 niezale nych
makrokomórek, z których ka da mo e realizowa funkcj kombinacyjn b d rejestrow . Do
bloku funkcyjnego doprowadzony jest sygna zegara oraz sygna y set/reset. Blok funkcyjny
poprzez generacj stanów na 18 wyj ciach steruje matryc prze czaj c . Wyj cia te wraz z
sygna ami output enable steruj blokami IOB.
Do programowalnej matrycy iloczynów logicznych dochodz 72 sygna y (36 normalnych
sygna ów i 36 ich negacji). Sygna y te s przez ni czone do 90 linii product term
dochodz cych do 18 makrokomórek. Wewn trz ka dego bloku FB mo liwe jest zrealizowanie
po cze ( cie ek) z wyj makrokomórek do matrycy iloczynów logicznych, bez potrzeby
wyprowadzania ich poza dany blok FB. cie ki te wykorzystywane s do tworzenia bardzo
szybkich liczników oraz uk adów stanów, gdzie wszystkie rejestry stanu s wewn trz tego
samego bloku FB.
Ka da makrokomórka w bloku FB uk adu XC9500 mo e by indywidualnie skonfigurowana
tak, aby realizowa funkcje kombinacyjne lub rejestrowe. Rys. poni ej przedstawia
makrokomórk i towarzysz ca jej struktur logiczn bloku FB.
Makrokomórka bloku FB uk adów rodziny XC9500
Pi ciu linii product terms bezpo rednio wyprowadzonych z matrycy iloczynów logicznych
mo na u y jako podstawowych wej danych (do bramek OR i XOR). Pozwalaj one na
implementacj funkcji kombinacyjnej lub mog pos u y jako wej cia steruj ce w czaj c w to
sygna y zegara, set/reset i output enable. Blok PTA (Product Term Allocator), zawarty w ka dej
makrokomórce, s u y do wyboru sposobu u ycia tych pi ciu linii. Rejestr makrokomórki mo e
by skonfigurowany jako przerzutnik D lub T, lub te mo e by przeznaczony do operacji
kombinacyjnych. Ka dy rejestr wyposa ony jest w dwie asynchroniczne operacje ustawiania
(set) i zerowania (reset). Podczas w czania zasilania wszystkie wykorzystywane rejestry s
inicjalizowane do stanu zdefiniowanego przez u ytkownika (w przypadku braku specyfikacji
domy lnie ustawiane jest 0). Wszystkie globalne sygna y takie jak sygna y zegara, set/reset oraz
output enable s dost pne dla ka dej makrokomórki. Sygna zegarowy dochodz cy do rejestru
mikrokomórki mo e by jednym z trzech globalnych sygna ów zegara lub sygna em zegara
pochodz cym z linii product term. Dodatkowo istnieje mo liwo wyboru aktywnego zbocza
sygna u zegarowego. Poprzez wej cie GSR mo liwe jest ustawienie rejestru u ytkownika do
zdefiniowanego przez niego stanu.
Sposób wyboru sygna ów zegarowych set/reset w makrokomórce bloku FB uk adów rodziny
XC9500
Blok PTA makrokomórki steruje wykorzystaniem pi ciu bezpo rednich linii product terms
dochodz cych do niej. Np. wszystkie pi linii mo e by do czonych do bramki OR.
Wykorzystanie bezpo rednich linii product terms w makrokomórce
Blok PTA mo e dokonywa zmian wewn trz FB i przydziela makrokomórce dodatkowe linie,
oprócz pi ciu podstawowych dochodz cych ju do niej. Ka da mikrokomórka wymagaj ca
dodatkowej linii product term mo e skorzysta z niewykorzystanej linii innej makrokomórki
wewn trz bloku FB. Pojedyncza makrokomórka mo e u y 15 linii produkt terms, przy czym
nale y uwzgl dni dodatkowe opó nienia sygna ów na dodanych liniach, wynikaj ce z
wyd u enia si ich drogi wewn trz bloku FB.
Blok PTA z 15 liniami product terms
Elastyczno ta wynika z budowy bloku PTA pokazanej na rys. poni ej.
Schemat logiczny bloku PTA
Matryca prze czaj ca dostarcza sygna y z bloków IOB i FB do wej bloków FB. Wszystkie
wyj cia bloków FB i wej cia/wyj cia bloków IOB s podawane na t matryc . Za pomoc
matrycy u ytkownik wybiera sygna y, które maj dochodzi do danego bloku FB. Dodatkowo
realizuje ona iloczyn logiczny na drucie co zwi ksza funkcjonalno ca ego uk adu.
Schemat logiczny matrycy prze czaj cej (FastCONNECT Switch Matrix)
Bloki wej cia/wyj cia IOB stanowi interfejs pomi dzy wewn trzn logik , a pinami
wej cia/wyj cia uk adu. Ka dy blok zawiera bufor wej ciowy, sterownik wyj ciowy,
multiplekser wyboru output enable oraz programowalne uziemienie. Bufor wej ciowy jest
kompatybilny ze standardami 5V CMOS, 5V TTL i poziomami sygna u 3,3V. Bufor wej ciowy
u ywa wewn trznego 5V ród a zasilania (VCCINT) w celu zapewnienia sta ych progów wej cia i
eliminacji waha napi cia VCCIO. Sygna output enable mo e by generowany w nast puj cy
sposób, jako: sygna product term z makrokomórki, dowolny sygna zegara globalnego, zawsze
 1 lub zawsze  0 . Wyst puj dwa globalne sygna y output enable dla uk adów do 144
makrokomórek oraz cztery sygna y globalne output enable dla uk adów z 180 lub wi ksz liczb
makrokomórek. Ka de wyj cie umo liwia kontrol szybko ci narastania napi cia wyj ciowego.
Szybko narastania sygna u wyj ciowego mo e by programowo spowalniana w celu redukcji
szumów. Ka dy blok IOB zapewnia programow obs ug pinu uziemienia. Pozwala to na
dodatkow konfiguracj pinów uk adów wej cia/wyj cia jako pinów uziemienia. Dzi ki temu
mo na znacznie zredukowa poziom szumów. Rezystory podci gaj ce (typowa warto 10k.)
s do czone do ka dego uk adu wej cia/wyj cia w celu zabezpieczenia go przed stanem
nieokre lonym, w przypadku niewykorzystania tego uk adu przez projekt u ytkownika.
Rezystory te s aktywne w trybie programowania oraz kasowania uk adu, a tak e w momencie
w czania zasilania systemu.
Schemat logiczny bloku IOB wraz z uk adami steruj cymi sygna ami output enable
Rezystory s de aktywowane podczas normalnych operacji. Sterownik wyj ciowy jest zdolny do
przewodzenia pr du 24mA. Wszystkie sterowniki wyj ciowe w uk adzie mog by
skonfigurowane dla poziomu 5V lub poziomu 3,3V przez po czenie wyj ciowego pinu zasilania
(VCCIO) do 5V lub do ród a zasilania 3,3V. Rys. 4.17 pokazuje jak uk ad XC9500 mo e by
zasilany tylko napi ciem 5V lub napi ciem 5V i 3,3V.
Sposoby zasilania uk adu rodziny XC9500:
a) jedno ród o zasilania 5V,
b)dwa ród a zasilania 5V i 3,3V
Programowanie i testowanie uk adów rodziny XC9500 jest realizowane za pomoc interfejsu
standardu IEEE 1149.1 (JTAG). Interfejs ten posiada nast puj c list instrukcji: EXTES,
SAMPLE/PRELOAD, BYPASS, USER-CODE, INTEST, IDCODE, HIGHZ.
Dodatkowo na potrzeby programowania uk adów w systemie (ISP) dodano 5 instrukcji: ISPEN,
FERASE, FPGM, FVFY, ISPEX. Stanowi one rozszerzenie zestawu instrukcji 1149.1. Zgodnie
ze specyfikacj standardu IEEE 1149.1 piny TMS i TCK uk adu interfejsu JTAG s
podwieszone poprzez rezystory pull-up do zasilania.
Uk ady XC9500 zawieraj zaawansowane sposoby ochrony danych, które ca kowicie
zabezpieczaj program przed nieautoryzowanym czytaniem lub pomy kowym skasowaniem, czy
przeprogramowaniem. U ytkownik mo e ustawi odpowiednie bity w celu ochrony kodu
programu zawartego w uk adzie przed jego przeczytaniem. Skasowanie w ca o ci programu jest
jedynym sposobem na wyzerowanie bitów zabezpieczaj cych, tym samym na odblokowanie
odczytu z uk adu.
Wszystkie uk ady XC9500 oferuj mo liwo ustawienia trybu niskiego poboru mocy dla
ka dej makrokomórki z osobna lub dla wszystkich jednocze nie. Zatem wa ne dla danej
aplikacji cz ci uk adu mog pozosta w standardowym trybie poboru mocy, podczas gdy
pozosta e mog zosta zaprogramowane na operacje przy niskim poborze mocy.
W czasie w czania zasilania (power-up time) uk ady XC9500 s w stanie u pienia dopóki
napi cie zasilaj ce VCCINT nie osi gnie bezpiecznego poziomu (oko o 3,8 V). Do tego czasu
wszystkie piny uk adu oraz interfejsu JTAG s wy czone i podwieszone do zasilania za pomoc
rezystorów pull-up. Kiedy napi cie zasilania osi gnie bezpieczny poziom wszystkie rejestry
u ytkownika s inicjalizowane (typowo w czasie 100 s dla 9536 - 95144, 200 s dla 95216,
300 s dla 95288) po czym uk ad jest gotowy do pracy.