Специализированные полузаказные ИС на базовых матричных кристаллах (БМК), называемых за рубежом вентильными матрицами (Gate Arrays), безусловно, обладают рядом преимуществ. Основным из них является возможность создания на их основе самых различных микросхем при наличии развитых средств проектирования. Именно это, наряду с низкой стоимостью самих кристаллов, и обусловило широкое распространение БМК в 60-70 годы.
Однако весьма очевидны и недостатки матричных кристаллов. Прежде всего речь идет о значительных сроках и затратах на проектирование специализированных ИС на основе БМК. Эта негативная их особенность послужила предпосылкой для появления нового класса специализированных полузаказных микросхем (СПИС) - программируемых логических ИС (ПЛИС). В зарубежной литературе синонимом ПЛИС является аббревиатура PLD-programmable logic devices.
ПЛИС- это интегральные микросхемы, содержащие программируемую матрицу элементов логического И (конъюнкторов), программируемую или фиксируемую матрицу элементов логического ИЛИ (дизъюнкторов) и так называемые макроячейки (в зарубежной литературе-macrocells). Макроячейки, как правило, включают в себя триггер, тристабильный буфер и вентиль исключающее ИЛИ, управляющий уровнем активности сигнала. Размерность матриц и конфигурация макроячеек определяют степень интеграции и логическую мощность ПЛИС.
Структурная схема обобщенной модели ПЛИС приведена на рис.1, а тировые конфигурации макроячеек - на рис.2,3 и 4.
В сочетании с разнообразными обратными связями перечисленные элементы формируют завершенную автоматную структуру, ориентированную на реализацию как комбинационных (дешифраторов,мультиплексоров, сумматоров), так и последовательностных схем (управляющих автоматов, контроллеров, счетчиков).
В ПЛИС заложены возможновти, которые позволяют превратить ее в ИС с любой функцией цифровой логики. Проектирование сводится к выявлению программируемых элементов (перемычек или запоминающих ячеек), после удаления которых в структуре схемы остаются только те связи, которые необходимы для выполнения требуемых функций. На практике эта задача весьма непростая, так как современные ПЛИС содержат в среднем несколько десятков тысяч перемычек. Поэтому для проектирования обязательно применяют системы автоматизированного проектирования (САПР ПЛИС).
Благодаря наличию различных систем автоматизированного проектирования, а также структурным и технологическим особенностям, ПЛИС представляют технологию рекордно-короткого цикла разработки радиоэлектронной аппаратуры. Причем весь цикл проектирования и изготовления готового устройства осуществляется самим разработчиком, что значителбно снижает стоимость РЭА по сравнению с использованием БМК.
Если за рубежом ПЛИС уже заняли заметное место в арсенале разработчика РЭА, то в России и странах СНГ эта технология только начинает по-настоящему развиваться. Отставание объясняется рядом причин. Во-первых, очень узка номенклатура ПЛИС на нашем рынке элементной базы. Во-вторых, практическая недоступность для наших специалистов современных зарубежных систем проектирования. В-третьих, недостаток информации в технической литературе о ПЛИС и методах работы с ними.
Нужно, однако, отметить, что в начале 90-х годов у нас стали наблюдаться некоторые реальные сдвиги в приминении ПЛИС на отдельных предприятиях. Этому в первую очередь способствовало появление отечественных ПЛИС для решения многих задач. Назовем, например, ПЛИС с плавкими перемычками по технологии ТТЛШ, производимые в НИИМЭ в Зеленограде. В их числе уже давно известные ПЛМ К556РТ1,К556РТ2,К556РТ21 и сравнительно недавно выпускаемые ИС КМ1556ХП4,КМ1556ХП6,КМ1556ХП8,КМ1556ХЛ8, являющиеся аналогами широко распространенных в мире ПЛИС семейства PAL.
Сыграл определенную роль и выход на отечественный рынок фирмы INTEL, представившей в числе своей продукции ПЛИС по технологии КМОП с УФ-стиранием. Наибольшую известность получили ПЛИС 85С060,85С090 и 85C22V10, считавшаяся в 80-х годах мировым промышленным стандартом на ПЛИС.
Основные характеристики зарубежных и отечественных ПЛИС приведены в таблице.
В каких же случаях целесообразно применять ПЛИС ?
Во-первых, при разработке оригинальной аппаратуры , а также для замены обычных ИС малой и средней степени интеграции. При этом значительно уменьшаются размеры устройства, снижается потребляемая мощность и повышается надежность.
Наиболее эффективно использование ПЛИС в изделиях, требующих нестандартных схемотехнических решений. В этих случаях ПЛИС даже средней степени интеграции (24 вывода) заменяет, как правило, до 10-15 обычных интегральных микросхем.
Другим критерием использования ПЛИС является потребность резко сократить сроки и затраты на проектирование, а также повысить возможность модификации и отладки аппаратуры. Поэтому ПЛИС широко применяется в стендовом оборудовании, на этапах разработки и производства опытной партии новых изделий, а также для эмуляции схем, подлежащих последующей реализации на другой элементной базе, в частности БМК.
Отдельная область применения ПЛИС - проектирование на их основе устройств для защиты программного обеспечения и аппаратуры от несанкционированного доступа и копирования. ПЛИС обладают такой технологической особенностью, как "бит секретности", после программирования которого схема становится недоступной для чтения (хотя свои функции ПЛИС, естественно, продолжает выполнять). Обычно применение одной-двух ПЛИС средней степени интеграции оказывается вполне достаточной для надежной защиты информации.
Наиболее широко прграммируемые логические ИС используются в микропроцессорной и вычислительной технике. На их основе разрабатываются контроллеры, адресные дешифраторы, логика обрамления микропроцессоров, формирователи управляющих сигналов и др. На ПЛИС часто изготавливают микропрограммные автоматы и другие специализированные устройства, например, цифровые фильтры, схемы обработки сигналов и изображения, процессоры быстрого преобразования функций Фурье и т.д. В технике связи ПЛИС применяются в аппаратуре уплотнения телефонных сигналов.
Применение ПЛИС становится актуальным еще и потому, что у разработчиков зачастую нет необходимых стандартных микросхем.