مصفوفات البوابات المنطقية

فكرة عامة عن الشرائح الالكترونية القابلة للبرمجة (Programmable Logic Devices)
تأليف: جميل الخطيب ترجمة: طارق الخولي وجميل الخطيب حقوق الطبع محفوظة 2002,2005
1- مقدمة
أ- الغرض من هذا المقال هو تقديم فكرة عامة عن الشرائح الالكترونية القابلة للبرمجة والتعرف على تركيبها الداخلي وكيفية برمجتها حتى نتعرف على كيفية استخدامها في تصميم الدوائر الالكترونية
ب- من المستفيد من قراءة هذا المقال؟ هذا المقال مفيد لمهندسي الالكترونيات الجدد ولهواة تصميم الدوائر الالكترونية الذين يرغبون في تصميم وتنفيذ دوائرهم الخاصة بطريقة سهلة ومتطورة
جـ - ماهي المعلومات الأساسية التي يجب معرفتها قبل قراءة هذا المقال؟ يجب معرفة أساسيات الدوائر الالكترونية وأساسيات تصميم دوائر الديجيتال قبل قراءة هذا المقال
2- معلومات هامة عن تصميم الدوائر الالكترونية وتصميم دوائر الديجيتال أ‌- اختراع الترانزستور(تأثيره) أدى اختراع الترانزستور إلى أحداث أثر كبير في العالم بأسره بصفة عامة وفي صناعة الالكترونيات بصفة خاصة وسبب حدوث هذا التاثير هو :- 1) حجم الترانزستور الصغير 2) تصميمه البسيط ب- استخدامات الترانزستور يستخدم الترانزستور في العديد من الدوائر الالكترونية بدءا من دوائر التكبير (Amplifiers) وحتى دوائر الأجهزة الموسيقية المعقدة ويقوم بتنفيذ وظائف مختلفة في هذه الدوائر وأحد وظائف الترانزستور هو عمله في الدائرة الالكترونية كمفتاح(Switch) يعمل على فصل وتوصيل التيار الكهربي وعمل الترانزستور كمفتاح (Switch) ساعد في تنفيذ دوائر الكترونية مثل دوائر التنبيه (Alarms) ودوائر التحكم (Control) ودوائر أخرى كثيرة تعتمد على فكرة فصل وتوصل التيار الكهربي (ON – OFF Technique) جـ- تصميم دوائر الديجيتال يعتمد بشكل أساسي على فكرة الفصل والتوصيل (ON - OFF) ونرمز للفصل بالرقم صفر (0) ونرمز للتوصيل بالرقم واحد (1) وهذان الرمزان (الصفر والواحد) هما الأساس في عمليات ال (Boolean Arithmetic) كما أن تصميم دوائر الديجيتال يعتمد على كل من :-

1) عمليات (Boolean Arithmetic) والعمليات الرئيسية في الـ (Boolean Arithmetic) هي (And,Or,Not) حيث يمكن تكوين باقي العمليات من هذه العمليات الرئيسية
مثال (2 Bit Half Adder) Sum = (x AND NOT y) OR (NOT x AND y) Carry =(x AND y)
2) دوائر التخزين كما يعتمد تصميم دوائر الديجيتال على دوائر الفليب فلوب (Flip Flop) والـ (Register) وهي دوائر تسمح بتنفيذ عمليات تخزين البيانات
هـ) أنواع دوائر الديجيتال (من حيث التزامن) :- 1) دوائر متزامنة (Synchronous)وهي دوائر تعتمد في عملها على وجود إشارة تزامن (Clocked)

2) دوائر غير متزامنة (Asynchronous)وهي دوائر لاتعتمد في عملها على وجود إشارة تزامن (Non-Clocked)

و) مزايا تصميم دوائر الديجيتال 1) السهولة والبساطة في التنفيذ حيث يمكن بسهولة تصميم وتنفيذ دائرة ديجيتال معقدة عن ان تقوم بتصميم وتنفيذ دائرة أنالوج (Analog) 2) السهولة والبساطة في اكتشاف الاعطال وإصلاحها نظرا لان دوائر الديجيتال تعتمد على فكرة الفصل والتوصيل فانه من السهل اكتشاف الأعطال وإصلاحها وكل خرج فيها ينبغي ان يكون اما صفر أو واحد
3- تطور الدوائر المتكاملة (Integrated Circuits) والشرائح الالكترونية (Chips) أ‌) الترانزستورات هي المكونات الرئيسية في دوائر الديجيتال وتستخدم بشكل مبسط في في الدوائر البسيطة كمفاتيح فصل وتوصيل للتيار الكهربي ب‌) دوائر الديجيتال البدائية وتكنولوجيا الـ (LSI(Large Scale Integration)) دوائر الديجيتال البدائية كانت قديما تستخدم دوائر أساسية بسيطة مثل دوائر (AND, OR, NOT) تم تجميع هذه الدوائر في شريحة صغيرة تسمى الدائرة المتكاملة (Integrated Circuit) واختصارا تسمى (IC) ثم ظهر فيما بعد تكنولوجيا (LSI) والتي تقوم بتجميع دوائر معقدة داخل شريحة الكترونية صغيرة ومن أمثلتها (Decoder) و(Adder) و(Multiplier) جـ) تكنولوجيا (VLSI) (Very Large Scale Integration) وهي شريحة الكترونية أكثر تعقيدا من شريحة (LSI) تقوم بتجميع العديد من المكونات والدوائر في شريحة واحدة ومن أمثلتها (Processor) و(CPU) و(Communicaton Protocol) د) ظهرت تكنولوجيا (Programmable Logic Devices) (PLD) وهي شريحة الكترونية يتم فيها تجميع العديد من الدوائر المتكاملة ويتم توصيل هذه الدوائر بواسطة فيوزات والوظيقة التي تقوم بها الشريحة النهائة تعتمد على عملية البرمجة التي تتم لهذه الشريحة وعملية البرمجة هذه عبارة عن حرق بعض الفيوزات التي تربط الدوائر الداخلية الموجودة في الشريحة عملية الحرق هذه تؤدي إلى فصل بعض الفيوزات بين الدوائر وترك الفيوزات الأخرى متصلة ومن أمثلة شرائح (PLD) شريحة (ROM) وشريحة (PAL) وشريحة (PLAs) والفرق الرئيسي بين هذه الشرائح هو مكان الفيوزات التي يمكن حرقها والتوصيلات الثابتة التي لايمكن حرقها
ملحوظة
نظرا لان هذه الدوائر الداخلية في شريحة (PLD) متصلة بواسطة فيوزات يتم حرقها عند البرمجة فانه لايمكن برمجة شريحة (PLD) الا مرة واحدة فقط
الشكل(1) الموضح بالأسفل يبين التركيب الداخلي لشريحة (PAL) ومن الواضح في الشكل انها تتكون من دوائر (OR, AND) مرتبطة سويا بواسطة مجموعة فيوزات
الشكل (1) : تركيب شريحة (PAL)
هـ) الشرائح الالكترونية المصنعة لغرض محدد (ASIC) وهي شرائح الكترونية يتم بناؤها لتنفيذ غرض محدد وهناك نوعان منها:- 1)النوع الأول شرائح تحتوي بداخلها على العديد من الدوائر الالكترونية 2)النوع الثاني شرائح تحتوي بداخلها على دائرة واحدة وهذه الشرائح يتم ضبطها لتنفيذ غرض محدد أثناء عملية التصنيع و) الشرائح الالكترونية المعقدة القابلة للبرمجة(CPLD) هي شرائح الكترونية أكثر تعقيدا من شرائح(PLD) وتحتوي بداخلها على بلوكات من شرائح (PLD) وهي تشبه إلى حد كبير في تعقيدها شرائح (PAL) التي سبق شرحها ولكن شرائح ((CPLD عدد الدوائر بها أكثر ز) الشرائح الالكترونية Field Programmable Gate Arrays (FPGA) هي شرائح الكترونية تركيبها العام يسمح باستيعاب عدد كبير جدا من الشرائح الالكترونية وفي حين ان شرائح(CPLD) بها امكانية تواجد عدد كبير من الشرائح الالكترونية بداخلها فان شرائح (FPGA) تسمح بعدد محدود من الدوائر بداخلها ولكنها يتوافر بها عدد أكبر من دوائر الفليب فلوب (Flip-Flop) نسبة إلى عدد الدوائر المسموح بها في شرائح (CPLD)
الشكل (2) : تركيب شريحة (FPGA)
4- التركيب الداخلي لشرائح (FPGA) راجع الشكل (2) أ) تتكون شرائح(FPGA) داخليا من بلوكات من الدوائر الالكترونية وكل بلوك يتكون من دوائر صغيرة موزعة على هيئة مجموعة من الخلايا(LOGIC CELLS) وتتكون كل خلية عادة من دائرة فليب فلوب (Flip-Flop)وبعض الدوائر الأخرى التي تختلف حسب كل من الشركة المصنعة (Vendor)والـ (Family)التي تنتمي لها شريحة الـ (FPGA)
ملحوظة كل شركة مصنعة لشرائح FPGAتستخدم اسم خاص لوصف الخلايا وكيفية بنائها ومن أمثلة هذه الأسماء (Logic Block)و(Logic Element)
ب) كما يتواجد داخل الخلايا (Logic Cells)دائرة LUT (Look up Tables)وهي تشبه الـ(ROMs) بعض أنواع شرائح FPGAيتواجد بها دوائر ذاكرة أخرى مثل SRAMو(Dual Port Memory) و(CAM)وهي دوائر يتم استخدامها بشكل خاص إما في لغة (HDL)أو باستخدام دوائر خاصة في عملية رسم الدوائر بالبرامج الخاصة schematic entry
جـ) وسائل الربط والتوصيل(Routing Resources) بين دوائر شريحة (FPGA) وسائل الربط والتوصيل في شريحة (FPGA)هي قنوات توصيل (Routing Channels)وأسلاك ومفاتيح تربط بين الدوائر الداخلية مثل دوائر Memory, LUT & Logic Cells

د) pinsأطراف التوصيل الخارجية وبهذه الوسائل يمكن الربط بين الدوائر الداخلية في الشريحة أطراف التوصيل الخارجية (PINs) لشرائح (FPGA) تختلف في كيفية توزيعها وترتيبها فبعض الشرائح يتم توزيع ترتيبها بطريقة (TTL)أو(CMOS) أو(PCI) أو (AGP) أو اي طريقة أخرى. لذلك فان شرائح (FPGA)يمكن ان تستخدم للربط بين تكنولوجيات مختلفة من تكنولوجيات الدوائر
هـ) pinsأطراف التوصيل الخارجية (Clock) و(PLL) بعض شرائح (FPGA) تخصص أطراف توصيل ذات سرعة عالية للـ (Clock) و(Reset) وبعض شرائح (FPGA) يمكن ان يكون لها بلوكات للتحكم في ال (Clock) و(PLL) مثل (ClockMultiplier) و(Divider)
5- أمثلة عن شرائح (FPGA)(من شركات مختلفة) ‌أ. (Xilinx Spartan and Virtex Families) ‌ب. (Altera Apex and Acex Families) ‌ج. (Actel) ‌د. (Lucent Orca Devices)
الشكل(3) Xilinx's Virtex Slice
الشكل (4) Altera's Apex Logic Element
6- اللوحات الالكترونية المخصصة لشرائح (FPGA)
هناك العديد من اللوحات الالكترونية المخصصة لشرائح (FPGA) ومنها ‌أ. لوحات عرض (Demo) للشرائح ‌ب. ولوحات أخرى لتطبيقات معينة (Applications)
هذه اللوحات تتراوح من :- ‌أ. لوحات مخصصة لشرائح (FPGA) الصغيرة يمكن ان تكون مزودة بـ (External Headers) ومجموعة توصيلات ‌ب. وحتى لوحات كبيرة ومعقدة مزودة بشرائح ربط أخرى (Interface Chips) وكذلك بشرائح (FPGA)
وفيما يلي بعض مصادر اللوحات الالكترونية المخصصة لشرائح(FPGA) ‌أ. Xess boards (some of them are suitable for beginners) ‌ب. Altera SOPC boards ‌ج. http://www.burched.com.au/B5Spartan2.html
7- أساليب تصميم برنامج شريحة (FPGA) تصميم برنامج الشرائح الالكترونية واحد لكل المهندسين المتخصصين والطلبة والهواة والفرق الوحيد هو مدى تعقيد التصاميم والادوات التي يستخدمها المصمم والتي يمكن ان تتوفر بها امكانيات أفضل لمعالجة التصاميم وتحليلها
تحياتي
AHMED HERO

شكرا وعاشت ايدك والله حقيقي انت مميز بالمنتدى

هذا تميزك عيوني