Podręcznik

4.15. Programowalne układy cyfrowe

Układy PLA takie, jak omówione wyżej, można porównać do pamięci ROM programowanych maską. Funkcję wykonywaną przez układ PLA określa struktura tego układu ustalona podczas jego produkcji. Nic jednak nie stoi na przeszkodzie, by do budowy układów PLA zastosować te same technologie programowania, które są wykorzystywane w reprogramowalnych pamięciach ROM. W ten sposób powstał niezwykle dziś ważny i użyteczny rodzaj cyfrowych układów scalonych - programowalne matryce bramkowe, znane pod wieloma nazwami zależnymi od wewnętrznej architektury, ale najczęściej określane mianem układów FPGA (skrót od ang. "Field Programmable Gate Array"). O takich układach była już mowa w częsci 2 punkt 4.3.2.

Najprostszą programowalną matrycą bramkową może być układ PLA, w którym tranzystory są na każdym skrzyżowaniu linii w matrycy, a te, które nie są potrzebne przy realizacji danej funkcji, są odłączane. Można tu wykorzystać znaną z układów ROM technikę przepalania połączeń (programowanie jest wówczas jednokrotne) lub tranzystory dwubramkowe takie, jak w pamięciach EPROM. Ta ostatnia technologia daje możliwość programowania wielokrotnego. 

Układy FPGA osiągnęły jednak dużo wyższy stopień złożoności i uniwersalności, niż ten, który byłby możliwy przy zastosowaniu matryc typu PLA. Typowy układ FPGA zawiera zbiór komórek, których funkcję logiczne są programowalne, oraz zbiór programowalnych połączeń, które umożliwiają skonfigurowanie układu o zadanym schemacie logicznym. Układy FPGA zawierają nie tylko bramki kombinacyjne, ale także elementy pamięciowe –  przerzutniki, rejestry, a nawet rdzenie mikroprocesorów – a więc umożliwiają budowę kompletnych układów cyfrowych o dużej złożoności. 

Oprócz technik programowania jednokrotnego i wielokrotnego stosowanych w reprogramowalnych pamięciach nieulotnych w układach FPGA stosowane są jeszcze dwa inne sposoby programowania. Jeden z nich jest odwrotnością przepalanych połączeń. Są to programowalne połączenia (znane pod angielską nazwą „antifuse”). Programowalne połączenie jest to obszar cienkiego dielektryka zlokalizowany między dwoma ścieżkami na dwóch różnych warstwach metalu. Normalnie warstwy te są odizolowane, jednak w obszarze cienkiego dielektryka można przy pomocy impulsu podwyższonego napięcia wywołać przebicie, które prowadzi do trwałego połączenia dwóch warstw metalu. Raz wykonanego połączenia nie można zlikwidować, jest to więc technika programowania jednokrotnego. Są też układy FPGA, w których elementami programującymi połączenia są bramki transmisyjne. Takie układy mają wewnętrzną pamięć typu RAM, w której przechowywana jest informacja konfigurująca - które bramki transmisyjne są włączone, a które nie. Układy te wymagają zaprogramowania po każdym włączeniu zasilania, ponieważ nie dysponują pamięcią nieulotną. Program może zostać wpisany na przykład z zewnętrznej pamięci typu ROM. Zaletą takich układów FPGA jest możliwość zmiany wewnętrznej konfiguracji, a więc i wykonywanej funkcji, w czasie pracy urządzenia. Prowadzi to do nowej, fascynującej i mało dotąd wykorzystywanej w praktyce koncepcji układów samo-rekonfigurowalnych. Można sobie na przykład wyobrazić mikroprocesor, którego architektura wewnętrzna samoczynnie dostosowuje się do aktualnie wykonywanego zadania.