منطق المصفوفات القابلة للبرمجة

الموسوعة الحرة
MMI 16R6 في غلاف DIP ذي 20 سنًا
معالج AMD 22V10 في غلاف DIP ذي 24 سنًا

تُعدّ تقنية المصفوفات المنطقية القابلة للبرمجة ( PAL ) عائلة من أشباه الموصلات المنطقية القابلة للبرمجة ، تُستخدم لتنفيذ الوظائف المنطقية في الدوائر الرقمية، وقد طرحتها شركة Monolithic Memories , Inc. (MMI) في مارس 1978. [ 1 ] حصلت MMI على علامة تجارية مسجلة لمصطلح PAL لاستخدامه في "دوائر المنطق لأشباه الموصلات القابلة للبرمجة". وتملك شركة Lattice Semiconductor حاليًا هذه العلامة التجارية . [ 2 ]

تتكون أجهزة PAL من نواة PROM صغيرة (ذاكرة قراءة فقط قابلة للبرمجة) ومنطق إخراج إضافي يستخدم لتنفيذ وظائف منطقية معينة مطلوبة باستخدام عدد قليل من المكونات.

كانت أجهزة PAL قابلة للبرمجة ميدانيًا باستخدام آلات متخصصة. وكانت أجهزة PAL متوفرة بعدة أنواع:

  • لا يمكن تحديث الأجهزة " القابلة للبرمجة لمرة واحدة " (OTP) وإعادة استخدامها بعد البرمجة الأولية. (قدمت شركة MMI أيضًا عائلة مماثلة تسمى HAL، أو "منطق المصفوفة الصلبة"، والتي كانت تشبه أجهزة PAL باستثناء أنها تمت برمجتها باستخدام قناع في المصنع.)
  • كانت الإصدارات القابلة للمسح بالأشعة فوق البنفسجية (على سبيل المثال: PALCxxxxx على سبيل المثال: PALC22V10) تحتوي على نافذة كوارتز فوق رقاقة الشريحة ويمكن مسحها لإعادة استخدامها باستخدام مصدر ضوء فوق بنفسجي تمامًا مثل ذاكرة EPROM .
  • كانت الإصدارات اللاحقة (PALCExxx على سبيل المثال: PALCE22V10) أجهزة قابلة للمسح باستخدام الفلاش.

في معظم التطبيقات، يتم الآن استخدام وحدات GAL القابلة للمسح كهربائياً كبدائل مباشرة متوافقة مع الدبابيس لوحدات PAL القابلة للبرمجة لمرة واحدة.

تاريخ

قبل ظهور وحدات PAL، كان مصممو دوائر المنطق الرقمي يستخدمون مكونات التكامل المصغر (SSI)، مثل تلك الموجودة في عائلة TTL ( منطق الترانزستور-الترانزستور ) من سلسلة 7400 ؛ وتضمنت عائلة 7400 مجموعة متنوعة من وحدات بناء المنطق، مثل البوابات ( NOT ، NAND ، NOR ، AND ، OR )، والمضاعفات (MUXes) ومزيلات المضاعفات (DEMUXes)، والقلابات (من النوع D، JK، إلخ)، وغيرها. وكان جهاز PAL واحد يحل عادةً محل عشرات من حزم المنطق "المنفصلة" هذه، لذا تراجع استخدام SSI مع ازدهار استخدام PAL. وقد استُخدمت وحدات PAL بكفاءة عالية في العديد من المنتجات، مثل الحواسيب الصغيرة ، كما هو موثق في كتاب تريسي كيدر الأكثر مبيعًا "روح الآلة الجديدة" .

لم تكن وحدات PAL أول أجهزة المنطق القابلة للبرمجة التجارية؛ فقد كانت شركة Signetics تبيع مصفوفة المنطق القابلة للبرمجة ميدانيًا (FPLA) منذ عام 1975. كانت هذه الأجهزة غير مألوفة تمامًا لمعظم مصممي الدوائر، وكان يُنظر إليها على أنها صعبة الاستخدام. تميزت مصفوفة FPLA بسرعة تشغيل قصوى بطيئة نسبيًا (بسبب احتوائها على مصفوفات AND و OR قابلة للبرمجة)، وكانت باهظة الثمن، ولها سمعة سيئة فيما يتعلق بسهولة اختبارها. ومن العوامل الأخرى التي حدّت من انتشار مصفوفة FPLA حجمها الكبير، وهي عبارة عن حزمة ثنائية الخط (DIP) بعرض 600 ميل (0.6 بوصة أو 15.24  مم) ذات 28 طرفًا .

أدار جون بيركنر مشروع ابتكار جهاز PAL ، بينما صمم إتش تي تشوا الدائرة الفعلية للجهاز . [ 3 ] في وظيفة سابقة (لدى شركة Computer Automation، المتخصصة في تصنيع الحواسيب الصغيرة )، طور بيركنر معالجًا 16 بت باستخدام 80 جهازًا منطقيًا قياسيًا. وقد دفعته خبرته في المنطق القياسي إلى الاعتقاد بأن الأجهزة القابلة للبرمجة من قِبل المستخدم ستكون أكثر جاذبية إذا صُممت لتحل محل المنطق القياسي. هذا يعني ضرورة أن تكون أحجام العبوات أقرب إلى أحجام الأجهزة الموجودة، وأن تُحسّن السرعات. كانت شركة MMI تنوي أن تكون أجهزة PAL منخفضة التكلفة نسبيًا (أقل من 3 دولارات). إلا أن الشركة واجهت في البداية مشاكل حادة في إنتاجية التصنيع، واضطرت لبيع الأجهزة بأكثر من 50 دولارًا. هدد هذا الأمر جدوى جهاز PAL كمنتج تجاري، ما أجبر MMI على ترخيص خط الإنتاج لشركة National Semiconductor. لاحقًا، تم توفير أجهزة PAL من مصادر ثانوية من قِبل شركتي Texas Instruments و Advanced Micro Devices .

تقنيات العمليات

كانت وحدات PAL المبكرة عبارة عن مكونات DIP ذات 20 طرفًا مصنعة من السيليكون باستخدام تقنية الترانزستور ثنائي القطب مع صمامات برمجة من التيتانيوم والتنغستن قابلة للبرمجة لمرة واحدة (OTP). [ 4 ] أما الأجهزة اللاحقة فقد تم تصنيعها بواسطة Cypress و Lattice Semiconductor و Advanced Micro Devices باستخدام تقنية CMOS .

تم تسمية أجهزة PAL الأصلية ذات 20 و 24 دبوسًا بواسطة MMI كأجهزة تكامل متوسطة الحجم (MSI).

بنية PAL

تربط العناصر القابلة للبرمجة (الموضحة على شكل صمام) كلاً من المدخلات الحقيقية والمكملة ببوابات AND. تُجمع بوابات AND هذه، والمعروفة أيضًا باسم حدود الضرب ، معًا باستخدام عملية OR لتشكيل مصفوفة منطقية لمجموع الضرب .

تتكون بنية PAL من مكونين رئيسيين: مستوى منطقي وخلايا ماكرو منطقية للإخراج.

مستوى المنطق القابل للبرمجة

مستوى المنطق القابل للبرمجة عبارة عن مصفوفة ذاكرة للقراءة فقط قابلة للبرمجة (PROM) تسمح بتوجيه الإشارات الموجودة على دبابيس الجهاز، أو المكملات المنطقية لتلك الإشارات، إلى خلايا الماكرو المنطقية للإخراج.

تحتوي أجهزة PAL على مصفوفات من خلايا الترانزستور مرتبة في مستوى "ثابت-OR، قابل للبرمجة-AND" يستخدم لتنفيذ معادلات المنطق الثنائي " مجموع المنتجات " لكل مخرج من حيث المدخلات والتغذية الراجعة المتزامنة أو غير المتزامنة من المخرجات.

منطق الإخراج

كانت وحدات PAL المبكرة ذات العشرين طرفًا تحتوي على 10 مداخل و8 مخارج. وكانت المخارج تعمل عند انخفاض الجهد، ويمكن أن تكون مسجلة أو توافقية. توفرت وحدات PAL بهياكل مخارج متنوعة تُسمى " خلايا الماكرو المنطقية للمخرجات " أو OLMCs. قبل طرح سلسلة "V" (اختصارًا لـ "متغير")، كانت أنواع خلايا OLMCs المتوفرة في كل وحدة PAL ثابتة وقت التصنيع. (كانت وحدة PAL16L8 تحتوي على 8 مخارج توافقية، ووحدة PAL16R8 على 8 مخارج مسجلة. أما وحدة PAL16R6 فكانت تحتوي على 6 مخارج مسجلة ومخرجين توافقيين، بينما احتوت وحدة PAL16R4 على 4 من كل نوع). يمكن أن يحتوي كل مخرج على ما يصل إلى 8 حدود ضرب (بوابات AND فعليًا)؛ ومع ذلك، كانت المخارج التوافقية تستخدم أحد الحدود للتحكم في مخزن مؤقت ثنائي الاتجاه للمخرج. كانت هناك تركيبات أخرى تحتوي على عدد أقل من المخارج مع عدد أكبر من حدود الضرب لكل مخرج، وكانت متوفرة بمخارج تعمل عند ارتفاع الجهد ("سلسلة H"). [ 5 ] : 1-14 احتوت سلسلة الأجهزة "X" على بوابة XOR قبل المسجل. [ 5 ] : 1-9 كما وُجدت إصدارات مماثلة ذات 24 طرفًا من هذه الدوائر المنطقية القابلة للبرمجة (PALs).

غالبًا ما كانت بنية الإخراج الثابتة هذه تُحبط المصممين الذين يسعون إلى تحسين استخدام أجهزة PAL، نظرًا لأن تطبيقاتهم كانت تتطلب في كثير من الأحيان بنى إخراج من أنواع مختلفة. (على سبيل المثال، لم يكن من الممكن الحصول على 5 مخارج مُسجلة مع 3 مخارج توافقية عالية الفعالية). لذلك، في يونيو 1983، قدمت AMD جهاز 22V10، وهو جهاز ذو 24 طرفًا مزود بـ 10 خلايا منطقية كبيرة للإخراج. [ 6 ] يمكن للمستخدم تهيئة كل خلية كبيرة لتكون توافقية أو مُسجلة، عالية الفعالية أو منخفضة الفعالية. يتراوح عدد حدود الضرب المخصصة لكل مخرج من 8 إلى 16. يمكن لهذا الجهاز الواحد أن يحل محل جميع أجهزة PAL ذات الوظائف الثابتة ذات 24 طرفًا. شملت سلسلة PAL "V" ("المتغيرة") أجهزة PAL16V8 وPAL20V8 وPAL22V10.

برمجة أجهزة الكمبيوتر المحمولة

تمت برمجة وحدات PAL كهربائيًا باستخدام أنماط ثنائية (كملفات JEDEC ASCII / سداسية عشرية ) ونظام برمجة إلكتروني خاص متوفر إما من الشركة المصنعة أو من طرف ثالث، مثل DATA I/O . بالإضافة إلى مبرمجات الأجهزة أحادية الوحدة، غالبًا ما استُخدمت وحدات تغذية الأجهزة ومبرمجات المجموعات عند الحاجة إلى برمجة أكثر من عدد قليل من وحدات PAL. (بالنسبة للإنتاج بكميات كبيرة، يمكن توفير تكاليف البرمجة الكهربائية من خلال قيام الشركة المصنعة بتصنيع قناع معدني مخصص لبرمجة أنماط العملاء أثناء التصنيع؛ وقد استخدمت MMI مصطلح " منطق المصفوفة الصلبة " (HAL) للإشارة إلى الأجهزة المبرمجة بهذه الطريقة).

لغات البرمجة (حسب الترتيب الزمني لظهورها)

تصميم PALASM لعداد 4 بت

على الرغم من أن بعض المهندسين قاموا ببرمجة أجهزة PAL عن طريق تعديل الملفات التي تحتوي على بيانات نمط الصمامات الثنائية يدويًا، إلا أن معظمهم اختار تصميم منطقهم باستخدام لغة وصف الأجهزة (HDL) مثل ABEL من Data I/O ، أو CUPL من Logical Devices، أو PALASM من MMI . كانت هذه برامج تصميم بمساعدة الحاسوب ( CAD ) (يُشار إليها الآن باسم " أتمتة التصميم الإلكتروني ") تقوم بترجمة (أو "تجميع") معادلات المنطق الخاصة بالمصممين إلى ملفات خريطة الصمامات الثنائية المستخدمة لبرمجة (واختبار) كل جهاز في كثير من الأحيان.

الكفة

طُوِّرت لغة PALASM (اختصارًا لـ "مُجمِّع PAL") على يد جون بيركنر في أوائل ثمانينيات القرن العشرين، وكُتِبَ مُجمِّعها بواسطة شركة MMI بلغة FORTRAN IV على جهاز IBM 370/168. وقد أتاحت MMI شفرة المصدر للمستخدمين مجانًا. وبحلول عام 1983، كان عملاء MMI يستخدمون إصدارات منها على أجهزة DEC PDP-11 و Data General NOVA و Hewlett-Packard HP 2100 و MDS800 وغيرها.

تم استخدامه للتعبير عن المعادلات المنطقية لدبابيس الإخراج في ملف نصي، والذي تم تحويله بعد ذلك إلى ملف "خريطة الصمامات" لنظام البرمجة باستخدام برنامج مقدم من البائع؛ وفي وقت لاحق أصبح خيار الترجمة من المخططات شائعًا، وفي وقت لاحق أيضًا، أصبح من الممكن "توليف" "خرائط الصمامات" من لغة وصف الأجهزة ( HDL ) مثل Verilog .

CUPL

أصدرت شركة Assisted Technology برنامج CUPL ( مترجم المنطق القابل للبرمجة العالمي ) في سبتمبر 1983. [ 7 ] وكان يُشار إلى البرنامج دائمًا باسم CUPL فقط، وليس بالاختصار الكامل. وكان أول أداة تصميم تجارية تدعم عائلات متعددة من الدوائر المنطقية القابلة للبرمجة (PLD). صدرت النسخة الأولى منه لأجهزة IBM PC وMS-DOS، ولكنها كُتبت بلغة البرمجة C ، مما سمح بنقلها إلى منصات أخرى. [ 8 ] استحوذت شركة Personal CAD Systems (P-CAD) على Assisted Technology في يوليو 1985. وفي عام 1986، أصبح بالإمكان استخدام حزمة التقاط المخططات الخاصة بـ P-CAD كواجهة أمامية لبرنامج CUPL. [ 9 ] استحوذت شركة Logical Devices لاحقًا على CUPL، وهي مملوكة الآن لشركة Altium . [ 10 ] يتوفر برنامج CUPL حاليًا كحزمة تطوير متكاملة لأنظمة Microsoft Windows. [ 11 ]

أصدرت شركة أتمل برنامج WinCUPL (برنامج التصميم الخاص بها لجميع دوائر أتمل المنطقية القابلة للبرمجة SPLDs وCPLDs) مجانًا . وقد استحوذت شركة مايكروشيب على أتمل في عام 2016.

أبيل

أصدرت شركة Data I/O Corporation برنامج ABEL في أبريل 1984. وكان فريق التطوير يتألف من مايكل هولي، ومايك مراز، وجيريت بارير، ووالتر برايت ، وبيورن فريمان-بينسون، وكيو لي، وديفيد بيليرين، وماري بيلي، ودانيال بورير، وتشارلز أوليفييه.

قامت شركة Data I/O بفصل خط إنتاج ABEL لتأسيس شركة Synario Design Systems المتخصصة في أتمتة تصميم الإلكترونيات، ثم باعت Synario لشركة MINC Inc في عام 1997. كانت MINC تركز على تطوير أدوات تطوير FPGA. أغلقت الشركة أبوابها في عام 1998، واستحوذت Xilinx على بعض أصول MINC، بما في ذلك لغة ABEL ومجموعة أدواتها. أصبحت ABEL بعد ذلك جزءًا من مجموعة أدوات Xilinx Webpack. والآن، تمتلك Xilinx شركة ABEL.

مبرمجو الأجهزة

ومن بين أجهزة برمجة الأجهزة الشائعة جهاز برمجة المنطق طراز 60A من شركة Data I/O وجهاز برمجة المنطق طراز 2900.

كان جهاز Structured Design SD20/24 من أوائل أجهزة برمجة PAL. كان مزودًا ببرنامج PALASM مدمجًا، ولم يكن يتطلب سوى شاشة عرض CRT لإدخال المعادلات وعرض مخططات الصهر. بعد الصهر، كان بالإمكان التحقق من مخرجات PAL بإدخال متجهات الاختبار في ملف المصدر.

الخلفاء

بعد نجاح شركة MMI في طرح شرائح PAL ذات العشرين طرفًا حوالي عام 1978، طرحت AMD شريحة 22V10 PAL ذات الأربعة والعشرين طرفًا بميزات إضافية. وبعد استحواذها على MMI (حوالي عام 1987)، أنشأت AMD شركة Vantis كشركة مستقلة، ثم استحوذت عليها شركة Lattice Semiconductor عام 1999. [ 12 ]

قدمت شركة Altera جهاز EP300 (أول جهاز CMOS PAL) في عام 1983 وانتقلت لاحقًا إلى مجال أعمال FPGA.

قدمت شركة لاتيس سيميكوندكتور عائلة منطق المصفوفة العامة ( GAL ) في عام 1985، والتي تُعادل وظيفيًا سلسلة "V" من منطق المصفوفة العامة (PAL) التي تستخدم مستويات منطقية قابلة لإعادة البرمجة تعتمد على تقنية EEPROM (ذاكرة القراءة فقط القابلة للبرمجة والمسح كهربائيًا). وكانت شركة ناشيونال سيميكوندكتور مصدرًا ثانيًا لمكونات GAL.

AMD PALCE 20V8H-15JC في PLCC ذي 28 سنًا

قدمت AMD عائلة مشابهة تُسمى PALCE. بشكل عام، يمكن لجزء GAL واحد أن يعمل كأي جهاز من أجهزة PAL المماثلة. على سبيل المثال، يمكن لـ 16V8 GAL أن يحل محل 16L8 و16H8 و16H6 و16H4 و16H2 و16R8 PAL (وغيرها الكثير).

قدمت شركة ICT (التكنولوجيا الدولية CMOS) جهاز PEEL 18CV8 في عام 1986. ويمكن استخدام جزء CMOS EEPROM ذو 20 طرفًا بدلاً من أي من أجهزة PAL ثنائية القطب ذات الإخراج المسجل، كما أنه يستهلك طاقة أقل بكثير.

قدمت شركات مثل أتمل ولاتيس سيميكوندكتور وغيرها أجهزة منطقية قابلة للبرمجة على نطاق أوسع. وقد وسّعت هذه الأجهزة بنية PAL بإضافة مستويات منطقية متعددة و/أو تضمين خلايا منطقية كبيرة داخل المستوى المنطقي. وتمّ استحداث مصطلح " جهاز منطقي قابل للبرمجة معقد " (CPLD) لتمييز هذه الأجهزة عن أسلافها من نوعي PAL وGAL، والتي كانت تُعرف آنذاك أحيانًا باسم " أجهزة منطقية قابلة للبرمجة بسيطة " (SPLD).

من الأجهزة المنطقية القابلة للبرمجة الكبيرة الأخرى مصفوفة البوابات القابلة للبرمجة الميدانية (FPGA). وتُصنع هذه الأجهزة حاليًا من قبل شركتي إنتل (التي استحوذت على شركة ألترا ) وزيلينكس (التي استحوذت عليها شركة AMD ) وشركات أخرى مصنعة لأشباه الموصلات.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ «شركة Monolithic Memories تعلن: ثورة في تصميم المنطق». مجلة التصميم الإلكتروني . 26 (6). روشيل، نيوجيرسي: دار نشر هايدن: 148ب، 148ج. 18 مارس 1978.إعلان تمهيدي عن PAL (منطق المصفوفة القابلة للبرمجة).
  2. ↑ في 13 أبريل 1978، قدمت شركة Monolithic Memories, Inc (MMI) طلبًا لتسجيل علامة تجارية للمصطلح "PAL" لاستخدامه في "دوائر المنطق لأشباه الموصلات القابلة للبرمجة". وتم منح العلامة التجارية المسجلة في 29 أبريل 1980، برقم تسجيل 1134025. وكان أول استخدام تجاري للمصطلح PAL من قبل MMI في 21 فبراير 1978. وتملك شركة Lattice Semiconductor Corporation، ومقرها هيلزبورو، أوريغون، العلامة التجارية حاليًا. المصدر: قاعدة بيانات مكتب براءات الاختراع والعلامات التجارية الأمريكي على الإنترنت.
  3. ↑ بيركنر، جون (16 أغسطس 1978). "تقليل تعقيد المنطق العشوائي". التصميم الإلكتروني . 26 (17). روشيل، نيوجيرسي: دار هايدن للنشر: 98-105 .
  4. ↑ ورقة بيانات TIBPAL 16R8-15C (PDF) . دالاس، تكساس: شركة تكساس إنسترومنتس. أبريل 2000 [فبراير 1984].تجمع دوائر IMPACT هذه بين أحدث تقنيات شوتكي المتقدمة منخفضة الطاقة مع صمامات التيتانيوم والتنغستن المثبتة لتوفير بدائل موثوقة وعالية الأداء لمنطق TTL التقليدي. وكانت TI موردًا ثانيًا لـ MMI PALS.
  5. 1 2 بيركنر، جون م.؛ كولي، فنسنت ج. (1983). دليل منطق المصفوفات القابلة للبرمجة PAL (الطبعة الثالثة ). شركة مونوليثيك ميموريز. 
  6. ↑ معلومات متقدمة عن AmPAL 22V10 . صني فيل، كاليفورنيا: شركة أدفانسد مايكرو ديفايسز. يونيو 1983. 04126A-PLP.ملاحظة: هذه هي ورقة البيانات التي نشرتها شركة AMD عند طرح AmPAL 22V10.
  7. ↑ ألفورد، روجر سي. (1989). دليل مصمم المنطق القابل للبرمجة . هوارد دبليو. سامز. الصفحات 14-15 ، 166-168 . ISBN  0-672-22575-1في عام 1981 ، أسس بوب أوسان شركة Assisted Technology لتطوير أدوات دعم الدوائر المنطقية القابلة للبرمجة (PLD). وفي سبتمبر 1983، أصدرت Assisted Technology الإصدار 1.01a من مُجمِّع CUPL (المُجمِّع العالمي للدوائر المنطقية القابلة للبرمجة) الخاص بها، والذي يدعم 29 جهازًا.
  8. ↑ «CUPL - اللغة العالمية للمنطق القابل للبرمجة» (ملف PDF) (بيان صحفي). سان خوسيه، كاليفورنيا: شركة Assisted Technology، 1983. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 29 أكتوبر 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 أغسطس 2013 .ورقة بيانات تجريبية مبكرة لإصدار CUPL في عام 1983.
  9. ↑ "أنظمة التصميم بمساعدة الحاسوب الشخصية" . عالم الحاسوب . 19 (29). فرامينغهام، ماساتشوستس: سي دبليو كوميونيكيشنز: 97. 22 يوليو 1985. ISSN 0010-4841 . 
  10. ↑ مكتب براءات الاختراع والعلامات التجارية الأمريكي. "CUPL" برنامج حاسوبي، وتحديدًا برنامج يُستخدم لتطوير وتجميع تصاميم أجهزة المنطق القابلة للبرمجة، وأدلة المستخدم ذات الصلة الموزعة معه. استُخدم لأول مرة عام 1983، وحالته نشطة. الرقم التسلسلي 76357007. رقم التسجيل 2909461. المالك: شركة ألتيم المحدودة، أستراليا، 3 مينا كلوز، بيلروز، نيو ساوث ويلز 2085، أستراليا.
  11. ↑ "CUBEL ChipDesigner 5.0" . شركة Logical Devices. أغسطس 2013. مؤرشف من الأصل في 29 مايو 2015.
  12. ↑ "شركة لاتيس سيميكوندكتور تستحوذ على شركة فانتيس من شركة AMD" . مجلة EE Times . 26 أبريل 1999. تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 مايو 2015 .

للمزيد من القراءة

الكتب
كتب البيانات
تحديد
  • تنسيق نقل البيانات القياسي بين نظام إعداد البيانات ومبرمج جهاز المنطق القابل للبرمجة ؛ معيار JEDEC JESD3-C؛ JEDEC ؛ يونيو 1994.