Ứng dụng Vi mạch số lập trình, chương 4

Chia sẻ: Nguyen Van Dau | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

257
lượt xem 89
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trước thời kỳ vi mạch số lập trình (Progammblể Logic Device) ra đời, thiết kế logic số truyền thống thì bao gồm nhiều vi mạch TTL loại MSI và SSI kết hợp lại để tạo ra các hàm logic mong muốn. Những nhà thiết kế dựa vào những sách tra cứu các vi mạch số để tìm hiểu các thông số kỹ thuật, sau đó mới quyết định sử dụng các vi mạch số cần thiết cho yêu cầu thiết kế của họ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Ứng dụng Vi mạch số lập trình, chương 4

CHÖÔNG 4: VI MAÏCH SOÁ LAÄP TRÌNH I/ LÒCH SÖÛ PHAÙT TRIEÅN CUÛA VI MAÏCH SOÁ LAÄP TRÌNH . Tröôùc thôøi kyø vi maïch soá laäp trình (Programmable Logic Device) ra ñôøi, thieát keá logic soá truyeàn thoáng thì bao goàm nhieàu vi maïch TTL loaïi MSI vaø SSI keát hôïp laïi ñeå taïo ra caùc haøm logic mong muoán. Nhöõng nhaø thieát keá döïa vaøo nhöõng saùch tra cöùu caùc vi maïch soá ñeå tìm hieåu caùc thoâng soá kyõ thuaät, sau ñoù môùi quyeát ñònh söû duïng caùc vi maïch soá caàn thieát cho yeâu caàu thieát keá cuûa hoï. Ñieàu baát lôïi cuûa vieäc thieát keá naøy laø trong moät board söû duïng nhieàu vi maïch, do ñoù khi söûa chöõa thì gaëp nhieàu khoù khaên. Vaøo naêm 1975,coâng ty SIGNETICS ñaõ giôùi thieäu vi maïch soá laäp trình khoâng coù boä nhôù ñaàu tieân 82S100 (hieän nay laø PLS100) goïi laø maûng logic laäp trình tröôøng (Field-Programmable Logic Array). Napoleon Cavlan, ngöôøi ñöôïc goïi laø cha ñeû cuûa maïch logic laäp trình, luùc baáy giôø laø nhaø quaûn lyù nhöõng öùng duïng PLA cuûa Signetics ñaõ thöïc söï hieåu raèng söû duïng PLA laø phöông phaùp toát hôn ñeå thieát keá vaø thay ñoåi heä thoáng soá. Trong khi ñoù, coâng ty Harris ñaõ sôùm giôùi thieäu PROM, hoï trình baøy trieån voïng cuûa PROM vaø ñaõ öùng duïng vaøo trong moät soá maïch logic. Coâng ty National Semiconductor ñaõ cheá taïo maët naï laäp trình cho PLA, caáu taïo cuûa noù goàm moät maûng AND laäp trình keøm vôùi maûng OR laäp trình, cho pheùp thöïc hieän toå hôïp toång caùc tích soá cuûa haøm logic tieâu chuaån. Baèng caùch keát hôïp coâng ngheä PROM söû duïng nguyeân taéc caàu chì vôùi khaùi nieäm PLA, Cavian ñaõ thuyeát phuïc ñöôïc caùc nhaø quaûn lyù coâng ty Signetics ñeå ñöa döï aùn PLAvaøo saûn xuaát.
Vi maïch PLA ñaàu tieân 82S100, laø thaønh vieân ñaàu tieân cuûa hoï vi maïch IFL (Intergrated Fuse Logic) coù hình daïng 28 chaân. Caáu truùc cuûa PLA goàm moät maûng AND laäp trình vaø moät maûng OR laäp trình, noù cho pheùp thöïc hieän toå hôïp logic toång cuûa caùc tích soá ñôn giaûn . Kyõ sö John Martin Birkner laø eoät ngöôøi quan taâm ñeán PLA, vì oâng aáy hieåu raèng nhieàu phöông phaùp thieát keá logic ñöôïc hoïc trong tröôøng thì khoâng aùp duïng ñöôïc nhieàu trong coâng vieäc hieän taïi. Do ñoù, vaøo naêm 1975 oâng aáy ñaõ rôøi thung luõng Silicon ñeå ñeán coâfg ty Monolithic Memories (MMI), ñaây laø coâng ty cheá taïo PROM vaø caùc vi maïch logic tieâu chuaån. Vì vaäy, Birkner coù ñieàu kieän hôn trong vieäc tìm hieåu PLA vaø coâng nhaän nhöõng öu ñieåm cuûa maïch logic laäp trình nhöng ñoàng thôøi oâng cuõng nhaän ra khuyeát ñieåm cuûa PLA laø coù hai maûng laäp trình. Sau ñoù, Birkner ñaõ ñöa ra khaùi nieäm môùi veà vi maïch soá laäp trình, vi maïch naøy cuõng töông töï FLA nhöng thay vì coù hai maûng laäp trình thì PAL (Programmable Array Logic ) chæ coù moät maûng AND laäp trình vaø theo sau laø maûng OR ñöôïc giöõ coá ñònh (khoâng laäp trình ). Nhö vaäy moãi coång OR seõ coù moät tích soá coá ñònh ñöôïc noái vôùi ngoû vaøo cuûa noù, do vaäy seõ giaûm ñöôïc kích thöôùc cuûa vi maïch vaø cho pheùp tín hieäu ñöôïc truyeàn nhanh hôn trong khi vaãn cho pheùp thöïc hieän caùc toå hôïp logic. PAL ñöôïc ñoùng voû 20 chaân. Sau moät thôøi gian thuyeát phuïc caùc nhaø quaûn lyù cuûa coâng ty MMI thaáy roõ nhöõng lôïi ñieåm cuûa PAL vaø ñoàng yù saûn xuaát. Vi maïch ñaàu tieân thuoäc hoï PAL ñöôïc phoå bieán laø PAL 16L8, PAL 16R4, PAL 16R6, PAL 16R8. Caùc vi maïch naøy coù thôøi gian truyeàn trì hoaõn 35ns. Moãi vi maïch coù 8 ngoõ ra vaø 16 ngoõ vaøo, trong ñoù kyù töï L trong kyù hieäu cuûa vi maïch bieåu thò 8 toå hôïp ngoû ra taùc ñoäng ôû möùc thaáp, kyù töï R cho bieát coù 4, 6 hay 8 thanh ghi ôû ngoû ra töông öùng.
Sau moät thôøi gian khôûi ñaàu chaäm, cuoái cuøng PAL ñaõ ñöôïc thieát keá trong heä thoáng thöïc. Nhöõng coâng ty maùy tính mini ñaõ nhaän thaáy ñöôïc öu ñieåm cuûa PAL laø cho pheùp hoï giaûm soá board caàn thieát ñeå thöïc hieän toát nhöõng yeâu caàu thieát keá, coâng ty MMI ñaõ choïn phöông phaùp saûn xuaát PAL coâng ñoaïn maët naï cheá taïo theo yeâu caàu khaùch haøng. Vaøo luùc naøy MMI laïi giôùi thieäu moät hoï vi maïch môùi HAL (Hard Array Logic) vaø ñeå saûn xuaát nhöõng chi tieát naøy cho haõng Data General and Digital Equipment. MMI ñaõ thay ñoåi caùch saép xeáp coâng ñoaïn maët naï caàu chì vaø thay vaøo ñoù laø lôùp lieân keát kim loaïi phuø hôïp yeâu caàu thieát keá cuûa khaùch haøng. Nhöõng chi tieát naøy coù nhieàu lôïi ích goàm mang laïi nhöõng keát quaû toát vaø kieåm tra deã daøng hôn. Ñoàng thôøi khaùch haøng cuõng ñöôïc lôïi hôn bôûi khoâng phaûi quan taâm ñeán laäp trìn` vaø kieåm tra caùc chi tieát. Ñieàu naøy ñaõ mang laïi söï caûi tieán veà phöông phaùp cheá taïo PAL, vaø ñöôïc söï chaáp nhaän cuûa thò tröôøng. Vaøo naêm 1978, MMI ñaõ xuaát baûn saùch höôùng daãn PAL ñaàu tieân. Ñoù laø moät böôùc khôûi ñaàu ñeå PAL môû roäng theá giôùi cuûa nhöõng ngöôøi thieát keá maïch logic. Ngoaøi ra trong saùch höôùng daãn coøn trình baøy danh saùch chöông trình goác cuûa ngoân ngöõ laäp trình FORTRAN cho PALASM (PAL Assembler) ñoù laø phaàn meàm daønh cho vieäc thieát keá maïch logic PAL. PALASM coù theå bieân soaïn, ñònh nghóa logic cho moät khuoân thöùc. Ngoaøi ra PALASM cuõng coù khaû naêng moâ phoûng söï vaän haønh treân phöông trình maïch logic theo nguyeân taéc PAL. Trong vieäc lieân keát vôùi nhöõng nhaø thieát keá ñeå ñònh roõ nhöõng “vector kieåm tra”, PALASM coù theå laø moät söï thaät phuø hôïp. Taát caû nhöõng ñaëc ñieåm cuûa PAL bao goàm vieäc khaéc phuïc nhöõng khuyeát ñieåm cuûa PLA keát hôïp vôùi vieäc thuùc ñaåy söû duïng PAL ñaõ mang ñeán keát quaû toát ñeçp. PAL ñaõ nhanh choùng vöôït qua hoï vi maïch IFL cuûa coâng ty
Signetics vaø ñöôïc phoå bieán treân thò tröôøng, thuaät ngöõ PAL ñaõ trôû neân ñoàng nghóa vôùi PLD. Trong luùc aáy, coâng ty Signetics tieáp tuïc phaùt trieån hoï IFL, vaø vaøo naêm 1977 Signetics giôùi thieäu hoï vi maïch FPGA (Field Programmable Gate Array) 82S103, vaøo naêm 1979 laø hoï FPLS (Field Programmable Logic Sequencer). Hoï FPGA coù caáu taïo moät maûng AND ôû möùc ñôn vôùi ngoû vaøo laäp trình ñöôïc vaø cöïc tính ngoõ ra cuõng vaäy cho pheùp thöïc hieän caùc haøm logic cô baûn (AND, OR, NAND, NOR, INVERT), caáu truùc cuûa hoï FPLS coù chöùc caùc FlipFlop ñeå thöïc hieän caùc traïng thaùi cuûa haøm tuaàn töï. Ñoàng thôøi Signetics cuõng giôùi thieäu AMAZE (Automated Map and Zap Equations) laø chöông trình bieân dòch ñeå hoå trôï cho nhöõng vi maïch cuûa hoï. Töông töï, nhöõng coâng ty cheá taïo PLD khaùc ñaõ laàn löôïc giôùi thieäu nhöõng phaàn meàm hoã trôï cuûa hoï. Caû 2 coâng ty Signetics vaø MMI tieáp tuïc giôùi thieäu nhöõng PLD môùi ñeå ñaùp öùng tính ña daïng theo caùc yeâu caàu thieát keá. Vaøo giöõa naêm 1980, maïch logic laäp trình ñaõ ñöôïc thöøa nhaän cuøng vôùi söï phaùt trieån tính ña daïng cuûa IFL vaø PAL ñaõ coù nhieàu giaù trò cho nhöõng ngöôøi thieát keá. Maëc duø söï khôûi ñaàu thaønh coâng cuûa PLD, tuy nhieân chæ moät soá ít caùc nhaø thieát keá quen vôùi vieäc duøng PLD, moät soá tröôøng ñaïi hoïc ñaõ ñöa vi maïch logic laäp trình vaøo nhöõng khoùa hoïc thieát keá cuûa hoï. Tuy theá, kó thuaät logic laäp trình tieáp tuïc caûi tieán vaø nhöõng vi maïch phaùt trieån ôû giai ñoaïn thöù hai ñöôïc giôùi thieäu vaøo naêm 1983. Coâng ty Advance Micro Devices ( AMD) ñaõ giôùi thieäu PAL22V10 vôùi nhöõng ñaëc ñieåm ñaëc bieät laø söï linh ñoäng cuûa nhöõng coång PLD ôû 10 ngoû vaøo. Moãi coång PLD coù khaû naêng toå hôïp hoaëc vôùi thanh ghi ôû ngoû ra hoaëc moät ngoû vaøo. Coång ñeäm ngoõ ra ba traïng thaùi ñöôïc ñieàu khieån bôûi moät tích soá rieâng cho pheùp vaän haønh hai chieàu. Taát caû thanh ghi ñeàu ñöôïc reset töï
ñoäng trong quaù trình taét hay môû vaø moãi thanh ghi coù khaû naêng “ñaët tröôùc”, ñoù laø ñaëc ñieåm ñaëc bieät cho vieäc kieåm tra sau naøy. Vôùi nhöõng vi maïch môùi, ñöôïc giôùi thieäu thöôøng xuyeân treân thò tröôøng ñaõ daãn ñeán vieäc caàn thieát phaûi coù moät phaàn meàm hoã trôï trong quaù trình söû duïng PLD ñeå ñaït hieäu quaû cao. Bob Osann ñaõ nhaän thaáy ñöôïc söï caàn thieát cuûa moät chöông trình bieân dòch PLD vaïn naêng duøng cho taát caû PLD cuûa nhöõng coâng ty cheá taïo khaùc nhau. Vaøo thaùng 9/1983, Coâng ty Assisted Technology ñaõ ñöa ra phieân baûn 1.01a cuûa chöông trình bieân dòch PLD coù teân laø CUPL( Universal Compiler for Programmable). Chöông trình naøy hoã trôï cho 29 loaïi vi maïch, söï ra ñôøi cuûa CUPL ñaõ gaây ñöôïc söï chuù yù cuûa nhieàu coâng ty cheá taïo. Coâng ty Data I/O, nhaø cheá taïo caùc vi maïch laäp trình lôùn nhaát treân theá giôùi (EPROM, PROM, PLD), ñaõ quyeát ñònh phaùt trieån phaàn meàm hoã trôï cho rieâng hoï. Naêm 1984, Data I/O giôùi thieäu ABEL (Advanced Boolean Expression Language), ñoù laø chöông trình bieân dòch PLD coù ñaëc ñieåm töông töï nhö CUPL nhöng noù ñöôïc ñaàu tö tieáp thò neân ñöôïc caùc nhaø thieát keá chaáp nhaän. Vì vaäy, ABEL ñaõ sôùm theo kòp CUPL treân thò tröôøng. Söï ra ñôøi cuûa chöông trình bieân dòch vaïn naêng cho PLD ñaõ thuùc ñaåy neàn coâng nghieäp thieát keá soá saün saøng cho vieäc aùp duïng PLD cho nhöõng thieát keá môùi. Nhöõng chöông trình bieân dòch vaïn naêng naøy ñaõ ñöôïc caûi tieán hôn so vôùi caùc chöông trình bieân dòch PALASM vaø AMAZE, noù ñöôïc cung caáp cho caùc nhaø thieát keá ñeå thöïc hieän caùc maïch logic vaø moâ phoûng nhöõng thieát bò. Ñoù laø nhöõng ñaëc ñieåm tieâu chuaån cuûa hai boä bieân dòch vaïn naêng CUPL vaø ABAL. JEDEC ( the Joint Electron Device Engineering Council) döï ñònh saûn xuaát moät boä bieân dòch PLD taïo ra moät tieâu chuaån ñeå söû duïng cho taát caû caùc coâng ty cheá taïo PLD hieän nay
vaø töông lai. Vaøo 10/1983, the JEDEC Solid State Products Engineering Council ñöa ra tieâu chuaån JEDEC thöù 3“. Tieâu chuaån khuoân thöùc chuyeån ñoåi giöõa heä thoáng taïo döõ lieäu vaø thieát bò laäp trình cho PLD”. Thaùng 5/1986, JEDEC tieáp tuïc ñöa ra tieâu chuaån 3-A, tieâu chuaån naøy trôû thaønh tieâu chuaån chung cho coâng nghieäp PLD. Thaùng 7/1984, coâng ty Altera giôùi thieäu EP300. Ñoù laø vi maïch söû duïng coâng ngheä CMOS cuûa EPROM, noù coù ñaëc tính laø coâng suaát tieâu thuï thaáp, coù theå xoùa ñöôïc (duøng tia cöïc tím) cuøng moät soá ñaëc tính môû roäng khaùc.Naêm 1985, moät hoï PLD môùi ñöôïc coâng ty Lattice Semiconductor giôùi thieäu laø GAL (Generic Array Logic). Lattice duøng coâng ngheä CMOS cuûa EEPROM, coù caùc ñaëc tính kyõ thuaät nhö coâng suaát thaáp, coù theå laäp trình nhieàu laàn ( xoùa baèng ñieän aùp vôùi thôøi gian xoùa khoaûng vaøi giaây). Vi maïch ñaàu tieân cuûa hoï GAL ñöôïc kí hieäu laø GAL16V8 coù khaû naêng thay theá hoaït ñoäng cuûa PAL (ñoái vôùi vi maïch cuøng loaïi). Ngaøy caøng nhieàu coâng ty tham gia vaøo thò tröôøng PLD ñeå taïo ra nhöõng vi maïch ñaëc bieät vaø söû duïng nhieàu coâng ngheä cheá taïo khaùc nhau. Vaøo naêm 1985, coâng ty Xilen taïo ra moät hoï môùi laø LCA (Logic Call Array). Caáu truùc cuûa LCA coù 3 ñoaïn: moät ma traän cuûa khoái logic ñöôïc bao quanh laø khoái vaøo ra vaø moät maïng ñöôøng döõ lieäu noái giaùn tieáp. Ñaëc bieät cuûa LCA laø PLD ñaàu tieân söû duïng teá baøo RAM ñoäng cho chöùc naêng logic. Öu ñieåm cuûa caáu truùc naøy laø khaùch haøng coù theå kieåm tra ñöôïc chöông trình cuûa vi maïch, do baûn chaát deã xoùa cuûa LCA, neân caàn phaûi löu tröõ caáu hình cuûa LCA ôû boä nhôù ngoaøi. Vì vaäy, LCA khoâng ñöôïc söû duïng ôû nhöõng tröôøng hôïp ñoøi hoûi söï hoaït ñoäng ngay laäp töùc khi chôûi ñoäng maùy. Ñi keøm vôùi LCA laø chöông trình soaïn thaûo XACT vaø boä moâ phoûng giuùp cho vieäc söûa loãi cho nhöõng thieát keá treân LCA ñöôïc thuaän tieän.
Naêm 1985, coâng ty Signetics vôùi moät khaùi nieäm môùi laø PML (Programmable Macro Logic). Vi maïch PML ñaàu tieân cuûa Signetics PMLS 501, vi maïch naøy söû duïng coâng ngheä löôõng cöïc, vaø ñöôïc ñoùng voû 52 chaân . Vaøo naêm 1986, coâng ty ExMicroelectronic giôùi thieäu hoï ERASIC (Erasable Application Specific 7C) söû duïng coâng ngheä EEPROM CMOS. Vi maïch ñaàu tieân laø XL78C00 coù daïng 24 chaân vaø ñieàu ñaëc bieät laø XL78C00 coù theå thay theá chöùc naêng cho PAL vaø EPLA cuøng loaïi (khoâng tính ñeán toác ñoä), ñi keøm laø moät phaàn meàm hoã trôï ERASIC. Vaøo naêm 1986, coâng ty Signetics quyeát ñònh thay ñoåi hoï IFL thaønh hoï PLS (Programmable Logic From Signetics). Ví duï nhö töø 82S100 thaønh PLS100, töø 82S157 thaønh PLS157. Sau ñoù 2 naêm, coâng ty Actel ñaõ caûi tieán khuyeát ñieåm hoï LCA laø vi maïch coù theå hoaït ñoäng khoâng nhaát thieát phaûi coù boä nhôù ngoaøi. Ñoàng thôøi coâng ty Gazelle Microcircuit ñaõ coâng boá phaùt minh coâng ngheä GaAs (Gallium Arsenide). Ñaëc ñieåm cuûa coâng ngheä naøy laø caûi tieán toác ñoä , coâng suaát cuûa caùc vi maïch treân neàn taûng laø coâng ngheä silicon, cho pheùp vi maïch laøm vieäc vôùi toác ñoä nhanh hôn coâng suaát tieâu taùn khi ôû möùc trung bình. Öùng duïng ñaàu tieân cuûa coâng ngheä GaAs ñöôïc coâng ty Gazelle ñöa ra laø phieân baûn cuûa PAL 22V10. Öu ñieåm cuûa maïch naøy laø cho pheùp vi maïch GaAs coù theå töông hôïp vôùi caùc vi maïchTTL, do ñoù coâng ngheä GaAS ñaõ ñöôïc öùng duïng roäng raõi. Sau moät thôøi gian caûi tieán khoâng ngöøng, nhöõng PLD theá heä sau ñaõ ñöôïc öùng duïng roäng raõi trong kyõ thuaät phaàn cöùng, noù trôû thaønh coâng cuï caàn thieát cho nhöõng kyõ sö thieát keá. Söï phaùt trieån trong coâng nghieäp PLD noùi rieâng vaø vôùi coâng nghieäp baùn daãn noùi chung ñaõ taïo neân söï caïnh tranh cuûa caùc coâng
ty cheá taïo PLD treân theá giôùi. Do ñoù, ñaõ coù nhieàu xung ñoät xaûy ra giöõa caùc coâng ty trong vieäc caïnh tranh thò tröôøng. Vaøo naêm 1986 coâng ty MMI ñaõ kieän hai coâng tyAltera vaø Lattic vì ñaõ vi phaïm baûn quyeàn PAL. Keát quaû laø hai coâng ty naøy ñaõ chaáp nhaän thua kieän vaø phaûi mua baûn quyeàn. Sau ñoù coâng ty MMI mua coå phaàn trong coâng ty Xilin vaø sôû höõu baûn quyeàn hoï LCA. Sau ñoù 1 naêm coâng ty MMI hôïp vôùi AMD trôû thaønh moät taäp ñoaøn saûn xuaát caùc linh kieän baùn daãn haøng ñaàu treân theá giôùi. Tuy ñaõ hôïp nhaát hai coâng ty nhöng hoï vaãn tieáp tuïc phaùt trieån caùc hoï vi maïch hieän coù vì nhöõng hoï PLD naøy ñaõ trôû neân phoå bieán treân thò tröôøng. Vaøo naêm 1987, coâng ty National Semiconductor ñaõ mua laïi coâng ty Fairchild vaø tieáp tuïc phaùt trieån hoï PAL FASTPLA treân thò tröôøng .