Программируемая логика массива

Не путать с программируемой логической матрицей или PLA .

MMI 16R6 в 20-контактном DIP- разъеме

AMD 22V10 в 24-контактном DIP-разъеме

Programmable Array Logic ( PAL ) — семейство полупроводниковых программируемых логических устройств , используемых для реализации логических функций в цифровых схемах , которое было представлено компанией Monolithic Memories , Inc. (MMI) в марте 1978 года. MMI получила зарегистрированный товарный знак на термин PAL для использования в «Программируемых полупроводниковых логических схемах». В настоящее время торговая марка принадлежит Lattice Semiconductor .

Устройства PAL состояли из небольшого ядра PROM (программируемого постоянного запоминающего устройства) и дополнительной выходной логики, используемой для реализации определенных желаемых логических функций с помощью небольшого количества компонентов.

Используя специализированные машины, устройства PAL можно было «программировать на месте». PAL были доступны в нескольких вариантах:

• « Одноразово программируемые » (OTP) устройства не могли быть обновлены и повторно использованы после первоначального программирования. (MMI также предлагала аналогичное семейство под названием HAL, или «жесткая логика массива», которое было похоже на устройства PAL, за исключением того, что они программировались по маске на заводе.)
• Версии с УФ-стиранием (например: PALCxxxxx, например: PALC22V10) имели кварцевое окно над кристаллом чипа и могли быть стерты для повторного использования с помощью источника ультрафиолетового света, как и EPROM .
• Более поздние версии (PALCExxx, например: PALCE22V10) представляли собой устройства со стиранием флэш-памяти.

В большинстве приложений электрически стираемые GAL теперь используются в качестве совместимых по выводам прямой замены одноразовых программируемых PAL, .

История

До появления PAL разработчики цифровых логических схем использовали компоненты малой интеграции (SSI), например, из серии 7400 семейства TTL ( транзисторно-транзисторной логики ) ; Семейство 7400 включало в себя множество логических строительных блоков, таких как вентили ( NOT , NAND , NOR , AND , OR ), мультиплексоры (MUX) и демультиплексоры (DEMUX), триггеры (D-типа, JK и т. д.) и другие. Одно устройство PAL обычно заменяло десятки таких «дискретных» логических пакетов, поэтому бизнес SSI пришел в упадок по мере роста бизнеса PAL. PAL успешно использовались во многих продуктах, таких как миникомпьютеры , как описано в Трейси Киддер бестселлере «Душа новой машины» .

PAL не были первыми коммерческими программируемыми логическими устройствами; Signetics продавала свою программируемую логическую матрицу (FPLA) с 1975 года. Эти устройства были совершенно незнакомы большинству разработчиков схем и считались слишком сложными в использовании. FPLA имел относительно низкую максимальную рабочую скорость (из-за наличия массивов как программируемого И, так и программируемого ИЛИ), был дорогим и имел плохую репутацию в плане тестируемости. Еще одним фактором, ограничивающим признание FPLA, был большой корпус, (DIP) шириной 600 мил (0,6 дюйма или 15,24 мм) 28-контактный двойной рядный корпус .

Проектом по созданию устройства PAL руководил Джон Биркнер , а сама схема PAL была разработана HT Chua . На предыдущей работе (в компании-производителе мини-компьютеров Computer Automation ) Биркнер разработал 16-битный процессор, используя 80 стандартных логических устройств. Его опыт работы со стандартной логикой привел его к убеждению, что программируемые пользователем устройства были бы более привлекательными, если бы они были разработаны для замены стандартной логики. Это означало, что размеры корпуса должны были быть более типичными для существующих устройств, а скорость должна была быть улучшена. MMI планировала, что PAL будет относительно недорогой деталью (менее 3 долларов США). Однако изначально у компании были серьезные проблемы с производительностью. и ему пришлось продать устройства по цене более 50 долларов. Это поставило под угрозу жизнеспособность PAL как коммерческого продукта, и MMI была вынуждена лицензировать эту линейку продуктов компании National Semiconductor. Позднее PAL были « второсортными » компаниями Texas Instruments и Advanced Micro Devices .

Технологии процессов

Ранние PAL представляли собой 20-контактные DIP- компоненты, изготовленные из кремния с использованием технологии биполярных транзисторов с одноразовыми программируемыми (OTP) предохранителями из титана и вольфрама. Позже устройства производились компаниями Cypress , Lattice Semiconductor и Advanced Micro Devices с использованием технологии CMOS .

Исходные 20- и 24-контактные PAL были обозначены MMI как устройства средней интеграции (MSI).

PAL-архитектура

Программируемые элементы (показаны в виде предохранителя) соединяют как истинные, так и дополненные входы с логическими элементами И. Эти логические элементы И, также известные как термины продукта , объединяются по логическому принципу ИЛИ, образуя логический массив суммы продуктов .

Архитектура PAL состоит из двух основных компонентов: логической плоскости и макроячеек выходной логики.

Программируемая логическая плоскость

Программируемая логическая плоскость представляет собой массив программируемой постоянной памяти (PROM), который позволяет направлять сигналы, присутствующие на выводах устройства, или логические дополнения этих сигналов к выходным логическим макроячейкам.

Устройства PAL имеют массивы транзисторных ячеек, расположенных в плоскости «фиксированное ИЛИ, программируемое И», используемых для реализации двоичных логических уравнений « суммы произведений » для каждого из выходов с точки зрения входов и синхронной или асинхронной обратной связи от выходы.

Выходная логика

Первые 20-контактные PAL имели 10 входов и 8 выходов. Выходы были активными низкими и могли быть зарегистрированными или комбинационными. Члены семейства PAL были доступны с различными структурами вывода, называемыми « макроячейками выходной логики » или OLMC. До появления серии «V» (что означает «переменная») типы OLMC, доступные в каждом PAL, были фиксированы на момент производства. (У PAL16L8 было 8 комбинационных выходов, а у PAL16R8 - 8 зарегистрированных выходов. У PAL16R6 было 6 зарегистрированных и 2 комбинированных выхода, а у PAL16R4 было по 4 каждого.) Каждый выход мог иметь до 8 терминов продукта (фактически логические элементы И); однако комбинационные выходы использовали один из терминов для управления двунаправленным выходным буфером. Были и другие комбинации, которые имели меньше результатов с большим количеством продуктов на каждый результат и были доступны с активной высокой производительностью (серия «H»). Устройства серии «X» имели перед регистром вентиль XOR. Существовали также аналогичные 24-контактные версии этих PAL.

Эта фиксированная структура вывода часто расстраивала проектировщиков, пытавшихся оптимизировать полезность устройств PAL, поскольку их приложениям часто требовались структуры вывода разных типов. (Например, нельзя было получить 5 зарегистрированных выходов с 3 активными комбинационными выходами высокого уровня.) Итак, в июне 1983 года AMD представила 22V10, 24-контактное устройство с 10 выходными логическими макроячейками. Каждая макроячейка может быть настроена пользователем как комбинационная или зарегистрированная, с активным высоким или активным низким уровнем. Количество терминов продукта, назначенных на выход, варьировалось от 8 до 16. Это одно устройство могло заменить все 24-контактные устройства PAL с фиксированными функциями. В серию PAL «V» («переменная») входили PAL16V8, PAL20V8 и PAL22V10.

• 
  Блок-схема PAL 16R4
• 
  Блок-схема AMD 22V10
• 
  Выходная макроячейка AMD 22V10

Программирование PAL

PAL программировались электрически с использованием двоичных шаблонов (как JEDEC ASCII / шестнадцатеричные файлы) и специальной электронной системы программирования, доступной либо от производителя, либо от третьей стороны, такой как DATA I/O . В дополнение к программаторам отдельных устройств, когда нужно было запрограммировать несколько PAL, часто использовались устройства подачи устройств и групповые программаторы. (Для больших объемов затраты на электрическое программирование можно было бы исключить, если бы производитель изготовил специальную металлическую маску, используемую для программирования шаблонов клиентов во время производства; MMI использовала термин « логика жесткого массива » (HAL) для обозначения устройств, запрограммированных таким образом.)

Языки программирования (в хронологическом порядке появления)

PALASM конструкция 4-битного счетчика

Хотя некоторые инженеры программировали устройства PAL, вручную редактируя файлы, содержащие данные схемы двоичных предохранителей, большинство предпочитали разрабатывать свою логику с использованием языка описания оборудования (HDL), такого как ABEL от Data I/O , CUPL от Logical Devices или PALASM от MMI . Это были программы компьютерного проектирования ( САПР ) (теперь называемые « автоматизацией электронного проектирования »), которые переводили (или «компилировали») логические уравнения проектировщиков в двоичные файлы карт предохранителей, используемые для программирования (и часто тестирования) каждого устройства.

ПАЛАЗМ

Язык PALASM в (от «ассемблера PAL») был разработан Джоном Биркнером начале 1980-х годов, а компилятор PALASM был написан MMI на FORTRAN IV на IBM 370/168. MMI предоставила пользователям бесплатный исходный код. К 1983 году клиенты MMI запускали версии на DEC PDP-11 , Data General NOVA , Hewlett-Packard HP 2100 , MDS800 и других.

Он использовался для выражения логических уравнений для выходных контактов в текстовом файле, который затем был преобразован в файл «карты предохранителей» для системы программирования с использованием программы, поставляемой поставщиком; позже вариант перевода со схем стал обычным явлением, а еще позже «карты предохранителей» можно было «синтезировать» из HDL (языка описания оборудования), такого как Verilog .

КУПЛ

Assisted Technology выпустила CUPL ( универсальной программируемой логики ) года . компилятор в сентябре 1983 Программное обеспечение всегда называлось CUPL, а не расширенной аббревиатурой. Это был первый коммерческий инструмент проектирования, поддерживающий несколько семейств PLD. Первоначальный выпуск предназначался для IBM PC и MS-DOS, но был написан на языке программирования C, поэтому его можно было портировать на дополнительные платформы. Assisted Technology была приобретена компанией Personal CAD Systems (P-CAD) в июле 1985 года. В 1986 году пакет захвата схем PCAD можно было использовать в качестве внешнего интерфейса для CUPL. Позже CUPL был приобретен компанией Logical Devices и теперь принадлежит Altium . CUPL в настоящее время доступен как интегрированный пакет разработки для Microsoft Windows.

Atmel бесплатно выпускает WinCUPL (собственное программное обеспечение для проектирования всех SPLD и CPLD Atmel). Atmel была приобретена Microchip в 2016 году.

АБЕЛЬ

Корпорация Data I/O выпустила ABEL в апреле 1984 года. В команду разработчиков входили Майкл Холли, Майк Мраз, Геррит Баррер, Уолтер Брайт , Бьорн Фриман-Бенсон, Кью Ли, Дэвид Пеллерин, Мэри Бэйли, Дэниел Берриер и Чарльз Оливье.

Data I/O выделила линейку продуктов ABEL в компанию по автоматизации электронного проектирования под названием Synario Design Systems, а затем в 1997 году продала Synario компании MINC Inc. MINC сосредоточился на разработке инструментов разработки FPGA. Компания закрылась в 1998 году, и Xilinx приобрела некоторые активы MINC, включая язык ABEL и набор инструментов. Затем ABEL стал частью набора инструментов Xilinx Webpack. Теперь Xilinx владеет ABEL.

Программисты устройств

Среди популярных программистов устройств были Data I/O Corporation Logic Programmer Model 60A и Model 2900 от .

Одним из первых программистов PAL был Structured Design SD20/24. У них было встроенное программное обеспечение PALASM, и для ввода уравнений и просмотра графиков предохранителей требовался только ЭЛТ-терминал. После слияния выходные данные PAL можно было проверить, если в исходный файл были введены тестовые векторы.

Преемники

После того, как MMI добилась успеха с 20-контактными деталями PAL, представленными примерно в 1978 году, AMD представила 24-контактный 22V10 PAL с дополнительными функциями. После покупки MMI (около 1987 г.) AMD выделила консолидированное предприятие под названием Vantis, и этот бизнес был приобретен Lattice Semiconductor в 1999 г.

Altera представила EP300 (первую CMOS PAL) в 1983 году, а затем перешла в бизнес по производству FPGA.

Компания Lattice Semiconductor представила семейство универсальной матричной логики ( GAL ) в 1985 году с функциональными эквивалентами PAL серии «V», в которых использовались перепрограммируемые логические плоскости на основе технологии EEPROM (электрически стираемая программируемая постоянная память). National Semiconductor была вторым поставщиком запчастей GAL.

AMD PALCE 20V8H-15JC в 28-контактном PLCC

AMD представила аналогичное семейство под названием PALCE. В общем, одна часть GAL может функционировать как любое из аналогичных устройств семейства PAL. Например, GAL 16V8 способен заменить PAL 16L8, 16H8, 16H6, 16H4, 16H2 и 16R8 (и многие другие).

Компания ICT (International CMOS Technology) представила PEEL 18CV8 в 1986 году. 20-контактную часть CMOS EEPROM можно было использовать вместо любой биполярной PAL с зарегистрированным выходом и потреблять гораздо меньше энергии.

Более крупные программируемые логические устройства были представлены компаниями Atmel , Lattice Semiconductor и другими. Эти устройства расширили архитектуру PAL, включив несколько логических плоскостей и/или спрятав логические макроячейки внутри логических плоскостей. Термин «сложное программируемое логическое устройство» (CPLD) был введен, чтобы отличать эти устройства от их предшественников PAL и GAL, которые тогда иногда назывались простыми программируемыми логическими устройствами (SPLD).

Еще одним крупным программируемым логическим устройством является программируемая вентильная матрица (FPGA). Это устройства на данный момент производства Intel (которая приобрела Altera ) и Xilinx (которая была приобретена AMD ) и других производителей полупроводников.

См. также

• Комбинационная логика

Другие типы программируемых логических устройств:

• Программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA)
• Программируемая логическая матрица (PLA)
• Программируемое логическое устройство (ПЛД)
  • Комплексное программируемое логическое устройство (СПЛУ)
  • Стираемое программируемое логическое устройство (EPLD)
• Программируемая логическая матрица ( Signetics FPLA)

Действующие и бывшие производители программируемых логических устройств:

• Актель
• Передовые микроустройства (PAL, PALCE)
• Альтера (Флекс, Макс)
• Атмел
• Кипарисовый полупроводник
• Интел
• Решетка полупроводника (GAL)
• Технология микрочипов (FPGA, SPLD, CPLD)
• Национальный полупроводник (GAL)
• Компания QuickLogic.
• Сигнетика (FPLA)
• Техасские инструменты
• Ксилинкс

Действующие и бывшие производители программаторов устройств PAL:

• Корпорация ввода-вывода данных

Дальнейшее чтение

Книги

• Руководство разработчика программируемой логики ; Роджер Алфорд; Самс Паблишинг ; 1989 год; ISBN   0-672-22575-1 . (архив)
• Справочник по программируемой логике PAL ; 4ед; Монолитные воспоминания ; 1985. (архив)

Справочники

• Биполярный справочник LSI, 1984 г .; 5ед; Монолитные воспоминания ; 1984. (архив)

Технические характеристики

• Стандартный формат передачи данных между системой подготовки данных и программатором программируемых логических устройств ; Стандарт JEDEC JESD3-C; ДЖЕДЕК ; Июнь 1994 года.