المصفوفة المنطقية المبرمجة PLA

المصفوفة المنطقية المبرمجة ( The programmable Logic Array أو اختصارا PLA)

المصفوفة المنطقية القابلة للبرمجة المصفوفة المنطقية البرمجة هي تركيبات منطقية عامة الهدف . يمكن تهيئها للاستخام كعناصر أساسية في عدة تطبيقات . أن أبسط اشكال هذة في عدة تطبيقات . أن ابسط اشكال هذة التركيبات المنطقية يمكن تهيئيها وتركيبات با ستخدام الثنائيات وتركيبها با ستخدام الثنائيات Diodes والمقاومات Resistance's لتشكيل البواباتAnd And OR تتالف المصفوفة المنطقية القابلة للبرمجة Pla من بوابات And and Or مربوطة لتعطي خرجا معينا ناتج عن دخل معين زالشريحة النموذجية.زالشريحة النموذجية لهذة الترتيبات PLA تتعامل مع المحيط الخارجي ب14 طرفاً وتسمح ب16 K من المتغيرات عل الدخل ويكون زمن التاخير فيها 14 nsec تنتشر الداخل خلال صف من البوابات And التي تنتج سلسة من الحدود الناتجة المحدد مبدئيا (من 50 إلى 200 حد) . تحدد هذة الحدود بهوية الدخل إلى البوابات من جهة أخرى (حسب برمجة البوابة ). يمر هذا الخرج خلال سلسة من البوابات OR تنتج الخرج النهائي لــ PlA لاستعمال علي المصمم أن فكرفي الحدود الناتجة التي ستتولد كنتيجة لمرور إشارة الدخل المعينة خلال بوابات AND والمعاملات التي يجب أن تعمل أو لاتعمل لإنتاج الخرج المطلوب . يعد ذلك ترسل المصفوفات إلى الصانع على شكل جدول حقيقة أوبطاقات مثقبة ثم تغذى هذة المعلومات إلى الكمبيوتر الذي يولد طريقة الوصلات الداخلية للشريحة (mask). في pla من نوع Rocrwell تكون المقاومات والثنائيات مجمعة في شريحة واحدة .,وعلبيت هذا الشريحة ب48

تسمح الدوائر ذات المنطق المتعدد القيم للإشارات بأن يكون لها أكثر من مستويين أثنين . ومن بعض مميزات الدوائر ذات المنطق المتعدد القيم في تزايد الكثافة الوظيفية وتقليل الحاجة إلى الأسلاك بين الوصلات مما يسمح للمصممين باستخدام مساحة الشريحة بشكل أكثر فعالية . في هذه الأطروحة يتم اقتراح عدة أساليب تحويل تعتمد على التجزيئ إلى عناصر لتجميع التوابع ذات المنطق المتعدد القيم وهذه الأساليب تستخدم مصفوفة عداد مطابقة لمزاوجة الدخل - الخرج مما يؤدي إلى التقليل من عمليات التبديل وبالإضافة إلى ذلك ، فإنه يتم عرض أسلوب تعيين أمثلي تكراري لحالات الخرج الثنائية لتقليل عدد العناصر الحسابية للتابع المنطقي ، وذلك لتحقيق تابع معين ذي منطق متعدد القيم . ويعتبر المصفوفات المنطقية المبرمجة (PLA) أجزاء مهمة في الأنظمة في تصميم الدوائر الرقمية المتكاملة غلى بنيتها المنتظمة ، سهولة الفحص وإمكانية التجميع المؤتمت . ويمكن استخدام المصفوفات المنطقية المبرمجة (PLAS) لتنفيذ دوائر المنطق المتعدد القيم المعقدة . وفي هذه الأطروحة يتم اقتراح بعض تراكيب المصفوفات المنطقية المبرمجة ذات المنطق المتعدد القيم والتي تستخدم وحدات تكوني من نوع ذات صيغة التيار . ويتم مقارنة التراكسب المقترحة مع بعضها البعض CMOS تبعاً لعدد التوابع التي يغطيها كل تركيب ، ولقد تم اجراء عملية محاكات لكيفية عمل تراكيب CMOS المستخدمة في بناء المصفوفة المنطقية المبرمجة للتحقق من عملها على الشكل المطلوب

إذا قلنا أن ذاكرة الـ Read-only Memory ,ROM دارة تركيبية منطقية فإن هذا الكلام ليس غريباً فذاكرة الـROM تحتوي على مخرج أو أكثر كل منها تابع منطقي للمداخل كما أنها تتألف (كما وجدنا سابقاً) من مستويين : المستوى الأول يتألف من بوابات AND المشكّلة لفك الشيفرة والمستوى الثاني الذي يتألف من بوابات OR التي تشكّل المشفرة. وبما أن البنية البوابية AND-OR يمكن أن تولد أي تابع منطقي للمداخل، لذلك يمكن اعتبار مداخل العنوان لذاكرة الـ ROM مداخل لدارة تركيبية، والكلمة المقروءة منها كمصفوفة من الخانات كل منها يشكل التابع المنطقي لجميع المداخل. في كثير من الأحيان حينما تكون هناك حاجة إلى منطق معقد يمكن أن تستخدم ذاكرة الـ ROM كبديل أبسط وأفضل من المجموعة الكبيرة من بوابات AND و OR اللازمة لتحقيق هذا المنطق.

لنفترض الآن أننا نريد بناء بنية مثل ROM من أجل استخدامها كدارة تركيبية منطقية وليس ذاكرة وأن هذه البنية تحتوي على (149 مدخلاً تعطي ثمانية توابع منطقية مستقلة.

إذا أردنا بناء هذه البنية كذاكرة سنجد ذلك صعباً لأن ذلك يتطلب تشكيل ذاكرة كبيرة تبلغ (214X23). أما إذا كنا مستعدين لتحديد درجة تعقيد المنطق المطلوب فمن الممكن بناء بنية من نوع ذاكرة (حاسوب) Rom مزودة بعدد كبير من المداخل والمخارج. تسمى مثل هذه البنية بالمصفوفة المنطقية Logic Array وهذه البنية كما هو متوقع ستكون شبيهة ببنية ذاكرة ROM.

من الممكن برمجة المصفوفات المنطقية خلال عملية التصنيع لكي تعطي التوابع المنطقية المطلوبة وذلك باختيار المواضع التي سيتم فيها وصل الخطوط المتقاطعة المشكلة للمصفوفة ويسمى هذا النوع من المصفوفات بالمصفوفات المنطقية المبرمجة (PLA) programmed Logic Array. فإذا كانت هذه الدارات من النوع القابل للبرمجة من قبل المستثمر تسمى عندها بـ (FPLA) أي المصفوفات المنطقية المبرمجة في الحقل. Field programmable Logic A.

كمثال على المصفوفات المنطقية المبرمجة المتوفرة تجارياً نورد الدارة (7575) المحتوية على (14) مدخلاً و( مخارج. وقد تم تطبيق المداخل I0,…….I13 على عواكس للحصول على المتممات I0,…….I13 بالإضافة إلى الإشارات الغير متممة. تحتوي هذه الدارة على 96 بوابة AN (تتطلب ذاكرة ROM بـ 14 خانة 214 بوابة AND تمتلك كل منها قدرة استقبال 14 بوابة (FAN – IN). يتم تحديد مداخل الدارة خلال عملية التصنيع وذلك بوضع الوصلات المناسبة ما بين الخطوط I,I ومداخل بوابات AND الموافقة فإذا كان كل من مداخل بوابة AND موصول بأحد الخطوط I أو I، فإن مخرج البوابة سيكون حداً أصفرياMinterm وإلا فإن المخرج سيكون مجموع لحدود دنيا. تمتلك كل من بوابات OR قدرة استقبال 96 بوابة. لذلك من الممكن وصل بعض أو جميع مخارج بوابات AND على مداخل بوابة الـ OR تم تزويد مخارج بوابات OR بعواكس يمكن فصلها عن المخرج عند اللزوم مما يسمح بالحصول على التابع (F) أو متممه (F).

إذا أردنا استخدام دارة PLA كالمبينة في الشكل لتوليد ثمانية توابع أو أقل لمتحولات المدخل فبالإمكان التأكد من ذلك كل تابع كمجموع جداءات ثم بعد ذلك نحصي عدد الجداءات المختلفة الموجودة في صيغة التابع فإذا كان العدد أقل أو يساوي 96، فهذا يعني أن دارة PLA المذكورة مناسبة للغرض المطلوب أما إذا كان العدد أكبر فهذا يعني عدم صلاحية هذه الدارة.

كلمة FPGA هي اختصار لجملة (Field-Programmable Gate Arrays) وهي تعني مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة في الميدان، وهي عبارة عن مجموعة من الدوائر المتكاملة (ICs) والمصنوعة من أشباه الموصلات (semiconductor). تحوي هذه الدائرة المتكاملة على مجموعة من الدوائر المنطقية القابلة للبرمجة تدعى "وحدات منطقية (logic blocks)"، و توصيلات قابلة للبرمجة لعملية الربط بين الدوائر. الوحدات المنطقية هذه يمكن برمجتها لتؤدي المهام الأساسية للبوابات المنطقية (logic gates) مثل AND و XOR، أو وظائف معقدة التركيب مثل فاك رموز الشيفرة (decoder) أو العمليات الرياضية. في معظم الـ FPGAs فإن الوحدات المنطقية تحوي أيضا على تركيبات الذاكرة (memory elements) والتي قد تكون بسيطة التركيب كما في القلابات (flip-flops) أو وحدات متكاملة من الذاكرة.

التركيب الهيكلي (hierarchy) للتوصيلات القابلة للبرمجة تسمح للوحدات المنطقية (logic blocks) كي تتصل بعضها ببعض بناء على حاجة مصمم النظام، يمكننا تشبيه ذلك بلوحة توصيل الدوائر ذات الرقاقة الواحدة (one-chip programmable breadboard). بعد تصنيع ال FPGA فإنه يمكن برمجة الوحدات المنطقية والتوصيلات بينها عن طريق المصمم أو الزبون العادي لتطبيق أي وظيفة منطقية رقمية— من هنا نستنتج مصدر جملة "القابلة للبرمجة في الميدان(field-programmable)"

الـ FPGAs عدة عادة أبطأ من نسخة الشرائح الإلكترونية المصنعة لغرض محدد (ASIC) المطابقة لها، حيث أنها لا تستطيع أن تجاري التصميم المعقد كما وتستهلك طاقة أكبر. لكن على النقيض، فإن حسنات الـ FPGA يشمل وقت أقصر للسوق، والقابلية لإعادة برمجتها لإصلاح أي خطأ في البرنامج وأقل تكلفة هندسية.