منطق المصفوفة القابلة للبرمجة

تعد تقنية المنطق المصفوفي القابل للبرمجة ( PAL ) عائلة من أشباه الموصلات للأجهزة المنطقية القابلة للبرمجة المستخدمة لتنفيذ الوظائف المنطقية في الدوائر الرقمية والتي قدمتها شركة Monolithic Memories , Inc. (MMI) في مارس 1978. ^[1] حصلت شركة MMI على علامة تجارية مسجلة على مصطلح PAL لاستخدامه في "الدوائر المنطقية شبه الموصلة القابلة للبرمجة". العلامة التجارية مملوكة حاليًا لشركة Lattice Semiconductor . ^[2]

تتكون أجهزة PAL من نواة PROM صغيرة (ذاكرة للقراءة فقط قابلة للبرمجة) ومنطق إخراج إضافي يستخدم لتنفيذ وظائف منطقية مرغوبة معينة باستخدام مكونات قليلة.

باستخدام آلات متخصصة، كانت أجهزة PAL "قابلة للبرمجة ميدانيًا". وكانت أجهزة PAL متوفرة بعدة أشكال:

• لم يكن من الممكن تحديث الأجهزة القابلة للبرمجة لمرة واحدة ( OTP) وإعادة استخدامها بعد البرمجة الأولية. (كما قدمت MMI عائلة مماثلة تسمى HAL، أو "منطق المصفوفة الصلبة"، والتي كانت تشبه أجهزة PAL باستثناء أنها كانت مبرمجة بالقناع في المصنع.)
• كانت الإصدارات القابلة للمسح بالأشعة فوق البنفسجية (على سبيل المثال: PALCxxxxx مثل: PALC22V10) تحتوي على نافذة كوارتز فوق قالب الشريحة ويمكن مسحها لإعادة استخدامها باستخدام مصدر ضوء فوق بنفسجي تمامًا مثل EPROM .
• كانت الإصدارات الأحدث (PALCExxx على سبيل المثال: PALCE22V10) عبارة عن أجهزة قابلة للمسح بالفلاش.

في معظم التطبيقات، يتم الآن نشر لوحات GAL القابلة للمسح كهربائيًا كبدائل مباشرة متوافقة مع الدبابيس للوحات PAL القابلة للبرمجة لمرة واحدة.

قبل تقديم PALs، كان مصممو الدوائر المنطقية الرقمية يستخدمون مكونات التكامل على نطاق صغير (SSI)، مثل تلك الموجودة في عائلة TTL ( منطق الترانزستور-الترانزستور ) من سلسلة 7400 ؛ تضمنت عائلة 7400 مجموعة متنوعة من وحدات بناء المنطق، مثل البوابات ( NOT و NAND و NOR و AND و OR ) والمضاعفات (MUXes) ومفككات التعدد (DEMUXes) والقلابات (من النوع D وJK وما إلى ذلك) وغيرها. كان جهاز PAL واحدًا يحل عادةً محل العشرات من حزم المنطق "المنفصلة" هذه، لذلك تراجعت أعمال SSI مع انطلاق أعمال PAL. تم استخدام PALs بشكل مفيد في العديد من المنتجات، مثل أجهزة الكمبيوتر الصغيرة ، كما هو موثق في كتاب تريسي كيدر الأكثر مبيعًا The Soul of a New Machine .

لم تكن أجهزة PAL هي أول أجهزة المنطق القابلة للبرمجة التجارية؛ فقد كانت شركة Signetics تبيع مصفوفة المنطق القابلة للبرمجة (FPLA) الخاصة بها منذ عام 1975. وكانت هذه الأجهزة غير مألوفة تمامًا لمعظم مصممي الدوائر وكان يُنظر إليها على أنها صعبة الاستخدام للغاية. كانت سرعة التشغيل القصوى لمصفوفة FPLA بطيئة نسبيًا (بسبب وجود مصفوفات قابلة للبرمجة وأخرى قابلة للبرمجة)، وكانت باهظة الثمن، وكانت لها سمعة سيئة فيما يتعلق بالقدرة على الاختبار. وكان العامل الآخر الذي حد من قبول FPLA هو الحزمة الكبيرة، وهي حزمة مزدوجة الخط (DIP) بعرض 600 مل (0.6 بوصة أو 15.24 مم) ذات 28 سنًا .

كان مشروع إنشاء جهاز PAL يديره جون بيركنر ، وقد صمم إتش تي تشوا دائرة PAL الفعلية. ^[3] في وظيفة سابقة (في شركة تصنيع أجهزة الكمبيوتر الصغيرة Computer Automation )، طور بيركنر معالجًا 16 بتًا باستخدام 80 جهازًا منطقيًا قياسيًا. قادته تجربته مع المنطق القياسي إلى الاعتقاد بأن الأجهزة القابلة للبرمجة من قبل المستخدم ستكون أكثر جاذبية إذا تم تصميم الأجهزة لتحل محل المنطق القياسي. وهذا يعني أن أحجام العبوات يجب أن تكون أكثر نموذجية للأجهزة الموجودة، ويجب تحسين السرعات. كانت شركة MMI تنوي أن تكون أجهزة PAL جزءًا منخفض التكلفة نسبيًا (أقل من 3 دولارات). ومع ذلك، واجهت الشركة في البداية مشاكل شديدة في إنتاجية التصنيع ^{[ بحاجة لمصدر ]} واضطرت إلى بيع الأجهزة بأكثر من 50 دولارًا. ^{[ بحاجة لمصدر ]} هدد هذا جدوى جهاز PAL كمنتج تجاري، واضطرت شركة MMI إلى ترخيص خط الإنتاج لشركة National Semiconductor. ^{[ بحاجة لمصدر ]} تم " الاستعانة " لاحقًا بأجهزة PAL من قبل شركة Texas Instruments و Advanced Micro Devices .

كانت PALs المبكرة عبارة عن مكونات DIP مكونة من 20 سنًا تم تصنيعها في السيليكون باستخدام تقنية الترانزستور ثنائي القطب مع صمامات برمجة من التيتانيوم والتنغستن قابلة للبرمجة لمرة واحدة (OTP). ^[4] تم تصنيع الأجهزة اللاحقة بواسطة Cypress و Lattice Semiconductor و Advanced Micro Devices باستخدام تقنية CMOS .

تمت الإشارة إلى أجهزة PAL الأصلية ذات 20 و 24 سنًا بواسطة MMI كأجهزة تكامل متوسطة الحجم (MSI).

تتكون بنية PAL من عنصرين رئيسيين: المستوى المنطقي وخلايا الإخراج المنطقية الكبيرة.

تُعد المستوى المنطقي القابل للبرمجة عبارة عن مجموعة ذاكرة للقراءة فقط قابلة للبرمجة (PROM) تسمح بتوجيه الإشارات الموجودة على دبابيس الجهاز، أو المكملات المنطقية لتلك الإشارات، إلى خلايا منطقية كبيرة للإخراج.

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

كانت أجهزة PAL المبكرة ذات العشرين سنًا تحتوي على 10 مدخلات و8 مخرجات. كانت المخرجات منخفضة نشطة ويمكن تسجيلها أو تجميعها. كانت أعضاء عائلة PAL متوفرة بهياكل إخراج مختلفة تسمى "خلايا الماكرو المنطقية للإخراج" أو OLMCs. قبل تقديم سلسلة "V" (لـ "المتغير")، كانت أنواع OLMCs المتوفرة في كل PAL ثابتة في وقت التصنيع. (كان لدى PAL16L8 8 مخرجات تجميعية، وكان لدى PAL16R8 8 مخرجات مسجلة. كان لدى PAL16R6 6 مخرجات مسجلة و2 مخرجات تجميعية، بينما كان لدى PAL16R4 4 من كل منهما.) يمكن أن يحتوي كل مخرج على ما يصل إلى 8 مصطلحات منتج (بوابات AND فعليًا)؛ ومع ذلك، استخدمت المخرجات التجميعية أحد المصطلحات للتحكم في مخزن إخراج ثنائي الاتجاه. كانت هناك تركيبات أخرى بها عدد أقل من المخرجات مع المزيد من مصطلحات المنتج لكل مخرج وكانت متوفرة بمخرجات عالية نشطة (سلسلة "H"). ^{[5] : 1–14} تحتوي سلسلة "X" من الأجهزة على بوابة XOR قبل السجل. ^{[5] : 1–9} كانت هناك أيضًا إصدارات مماثلة مكونة من 24 سنًا من هذه PALs.

غالبًا ما كان هيكل الإخراج الثابت هذا يسبب إحباطًا للمصممين الذين يحاولون تحسين فائدة أجهزة PAL لأن هياكل الإخراج من أنواع مختلفة كانت غالبًا ما تتطلبها تطبيقاتهم. (على سبيل المثال، لا يمكن للمرء الحصول على 5 مخرجات مسجلة مع 3 مخرجات تركيبية عالية نشطة.) لذلك، في يونيو 1983، قدمت AMD جهاز 22V10، وهو جهاز مكون من 24 سنًا مع 10 خلايا ماكرو منطقية للإخراج. ^[6] يمكن للمستخدم تكوين كل خلية ماكرو لتكون تركيبية أو مسجلة، أو عالية نشطة أو منخفضة نشطة. تراوح عدد مصطلحات المنتج المخصصة لإخراج ما من 8 إلى 16. يمكن لهذا الجهاز الواحد أن يحل محل جميع أجهزة PAL ذات الوظيفة الثابتة المكونة من 24 سنًا. تضمنت أعضاء سلسلة PAL "V" ("المتغيرة") PAL16V8 وPAL20V8 وPAL22V10.

• 
  مخطط كتلة PAL 16R4
• 
  مخطط كتلة AMD 22V10
• 
  وحدة ماكروسيل AMD 22V10 للمخرجات

تمت برمجة PALs كهربائيًا باستخدام أنماط ثنائية (كملفات JEDEC ASCII / سداسية عشرية ) ونظام برمجة إلكتروني خاص متاح إما من الشركة المصنعة أو من جهة خارجية، مثل DATA I/O . بالإضافة إلى برامج الأجهزة ذات الوحدة الفردية، غالبًا ما يتم استخدام وحدات تغذية الأجهزة وبرامج المجموعات عندما تكون هناك حاجة إلى برمجة أكثر من عدد قليل من PALs. (بالنسبة للكميات الكبيرة، يمكن القضاء على تكاليف البرمجة الكهربائية من خلال جعل الشركة المصنعة تصنع قناعًا معدنيًا مخصصًا يستخدم لبرمجة أنماط العملاء في وقت التصنيع؛ استخدمت MMI مصطلح "منطق المصفوفة الصلبة" (HAL) للإشارة إلى الأجهزة المبرمجة بهذه الطريقة.)

على الرغم من أن بعض المهندسين قاموا ببرمجة أجهزة PAL عن طريق تحرير الملفات التي تحتوي على بيانات نمط الصمامات الثنائية يدويًا، إلا أن معظمهم اختاروا تصميم منطقهم باستخدام لغة وصف الأجهزة (HDL) مثل لغة ABEL من Data I/O ، أو لغة CUPL من Logical Devices، أو لغة PALASM من MMI . كانت هذه برامج تصميم بمساعدة الكمبيوتر ( CAD ) (يشار إليها الآن باسم " أتمتة التصميم الإلكتروني ") والتي ترجمت (أو "جمعت") معادلات منطق المصممين إلى ملفات خريطة الصمامات الثنائية المستخدمة في برمجة (واختبار غالبًا) كل جهاز.

تم تطوير لغة PALASM (من "مجمع PAL") بواسطة جون بيركنر في أوائل الثمانينيات وتم كتابة مُجمِّع PALASM بواسطة MMI بلغة FORTRAN IV على جهاز IBM 370/168. جعلت MMI الكود المصدر متاحًا للمستخدمين مجانًا. بحلول عام 1983، قام عملاء MMI بتشغيل إصدارات على أجهزة DEC PDP-11 و Data General NOVA و Hewlett-Packard HP 2100 وMDS800 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؛ في وقت لاحق أصبح خيار الترجمة من المخططات شائعًا، وفي وقت لاحق أيضًا، يمكن "توليف" "خرائط الصمامات" من HDL (لغة وصف الأجهزة) مثل Verilog .

أصدرت Assisted Technology برنامج CUPL ( مُجمِّع للمنطق العالمي القابل للبرمجة ) في سبتمبر 1983. ^[7] وكان يُشار إلى البرنامج دائمًا باسم CUPL ولم يُشار إليه أبدًا بالاختصار الموسع. كانت أول أداة تصميم تجارية تدعم عائلات PLD المتعددة. كان الإصدار الأولي مخصصًا لأجهزة الكمبيوتر IBM وMS-DOS، ولكنه كان مكتوبًا بلغة البرمجة C حتى يمكن نقله إلى منصات إضافية. ^[8] استحوذت شركة Personal CAD Systems (P-CAD) على Assisted Technology في يوليو 1985. في عام 1986، يمكن استخدام حزمة التقاط المخططات الخاصة بـ PCAD كواجهة أمامية لبرنامج CUPL. ^[9] استحوذت شركة Logical Devices لاحقًا على CUPL وهي الآن مملوكة لشركة Altium . ^[10] يتوفر CUPL حاليًا كحزمة تطوير متكاملة لنظام التشغيل Microsoft Windows. ^[11]

أصدرت شركة Atmel برنامج WinCUPL مجانًا (برنامج التصميم الخاص بها لجميع أجهزة SPLD وCPLD من Atmel). استحوذت شركة Microchip على شركة Atmel في عام 2016.

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

قامت شركة Data I/O بتقسيم خط إنتاج ABEL إلى شركة متخصصة في أتمتة التصميم الإلكتروني تسمى Synario Design Systems ثم باعت Synario إلى شركة MINC Inc في عام 1997. ركزت شركة MINC على تطوير أدوات تطوير FPGA. أغلقت الشركة أبوابها في عام 1998 واستحوذت شركة Xilinx على بعض أصول شركة MINC بما في ذلك لغة ABEL ومجموعة الأدوات. ثم أصبحت ABEL جزءًا من مجموعة أدوات Xilinx Webpack. والآن تمتلك شركة Xilinx شركة ABEL.

ومن بين برامج الأجهزة الشائعة جهاز برمجة المنطق طراز 60A وطراز 2900 من شركة Data I/O Corporation .

كان أحد أول مبرمجي PAL هو Structured Design SD20/24. كان لديهم برنامج PALASM مدمجًا ولم يتطلبوا سوى محطة CRT لإدخال المعادلات وعرض مخططات الصمامات. بعد الدمج، يمكن التحقق من مخرجات PAL إذا تم إدخال متجهات الاختبار في ملف المصدر.

بعد نجاح MMI في تصنيع أجزاء PAL ذات 20 سنًا والتي تم طرحها حوالي عام 1978، قدمت AMD أجزاء PAL ذات 24 سنًا 22V10 مع ميزات إضافية. بعد شراء MMI (حوالي عام 1987)، قامت AMD بتأسيس شركة موحدة باسم Vantis، وتم الاستحواذ على هذه الشركة بواسطة Lattice Semiconductor في عام 1999. ^[12]

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

قدمت شركة Lattice Semiconductor عائلة المنطق المصفوفي العام ( GAL ) في عام 1985، مع مكافئات وظيفية لسلسلة "V" من أجهزة المنطق المصفوفي العام التي تستخدم مستويات منطقية قابلة لإعادة البرمجة تعتمد على تقنية EEPROM (ذاكرة القراءة فقط القابلة للبرمجة والمسح كهربائيًا). كانت شركة National Semiconductor مصدرًا ثانيًا لأجزاء GAL.

قدمت AMD عائلة مماثلة تسمى PALCE. بشكل عام، يمكن لجزء واحد من GAL أن يعمل كأي من أجهزة PAL المماثلة للعائلة. على سبيل المثال، يمكن لـ 16V8 GAL أن يحل محل أجهزة PAL 16L8 و16H8 و16H6 و16H4 و16H2 و16R8 (والعديد من الأجهزة الأخرى إلى جانب ذلك).

قدمت شركة ICT (تكنولوجيا CMOS الدولية) رقاقة PEEL 18CV8 في عام 1986. ويمكن استخدام جزء EEPROM CMOS ذي العشرين سنًا بدلاً من أي من وحدات PAL ثنائية القطب ذات الإخراج المسجل، كما أنها تستهلك قدرًا أقل كثيرًا من الطاقة.

تم تقديم أجهزة منطقية قابلة للبرمجة على نطاق أوسع بواسطة Atmel و Lattice Semiconductor وآخرين. وسعت هذه الأجهزة بنية PAL من خلال تضمين مستويات منطقية متعددة و/أو دفن الخلايا المنطقية الكبيرة داخل المستويات المنطقية. تم تقديم مصطلح جهاز منطقي قابل للبرمجة معقد (CPLD) لتمييز هذه الأجهزة عن سابقاتها PAL وGAL، والتي كانت تسمى أحيانًا أجهزة منطقية قابلة للبرمجة بسيطة (SPLDs).

جهاز منطقي قابل للبرمجة كبير آخر هو ^{مصفوفة البوابات القابلة} للبرمجة ميدانيًا (FPGA). هذه هي الأجهزة التي تصنعها حاليًا شركة Intel (التي استحوذت على Altera ) و Xilinx (التي استحوذت عليها AMD ) وشركات تصنيع أشباه الموصلات الأخرى.

• المنطق التركيبي

أنواع أخرى من أجهزة المنطق القابلة للبرمجة:

• مصفوفة البوابات القابلة للبرمجة ميدانيًا (FPGA)
• مجموعة المنطق القابلة للبرمجة (PLA)
• جهاز منطقي قابل للبرمجة (PLD)
  • جهاز منطقي قابل للبرمجة معقد (CPLD)
  • جهاز منطقي قابل للمسح والبرمجة (EPLD)
• مجموعة منطقية قابلة للبرمجة ميدانيًا ( Signetics FPLA)

صناع الأجهزة المنطقية القابلة للبرمجة الحاليون والسابقون:

• أكتيل
• شركة Advanced Micro Devices (PAL, PALCE)
• ألتيرا (فليكس، ماكس)
• أتميل
• شركة سايبرس لأشباه الموصلات
• إنتل
• أشباه الموصلات الشبكية (GAL)
• تكنولوجيا الرقائق الدقيقة (FPGA، SPLD، CPLD)
• الشركة الوطنية لأشباه الموصلات (GAL)
• شركة كويك لوجيك
• الإشارات (FPLA)
• شركة تكساس إنسترومنتس
• زيلينكس

صناع برامج أجهزة PAL الحاليون والسابقون:

• شركة بيانات I/O

كتب

• دليل مصمم المنطق القابل للبرمجة ؛ روجر ألفورد؛ دار سامز للنشر ؛ 1989؛ ISBN 0-672-22575-1 . (أرشيف) 
• دليل المنطق القابل للبرمجة PAL ؛ الطبعة الرابعة؛ ذكريات متجانسة ؛ 1985. (أرشيف)

كتب البيانات

• Bipolar LSI 1984 Databook ؛ الطبعة الخامسة؛ Monolithic Memories ؛ 1984. (أرشيف)

تحديد

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