DE69721344T2

DE69721344T2 - FPGA mit konfigurierbaren Taktleitungen

Info

Publication number: DE69721344T2
Application number: DE69721344T
Authority: DE
Inventors: Frederick C. Menlo Park Furtek; Martin T. San Jose Mason; Robert B. Catonsville Luking
Original assignee: Atmel Corp
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 1996-05-20
Filing date: 1997-05-09
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2017-05-10
Also published as: DE69730254T2; KR19990029032A; CN1194702A; DE69711159T2; US6167559A; WO1997044730A1; US6014509A; EP0846289A1; DE69721343T2; CN1105970C; DE69730254D1; EP1143336A1; DE69721343D1; EP0846289A4; EP1150431B1; EP1150431A1; DE69711159D1; EP1158402B1; EP1143336B1; US5894565A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft programmierbare, multifunktionale, digitale integrierte Logikmatrixschaltungen der Art, die als anwenderprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs) bekannt sind, und insbesondere Verbesserungen in der Struktur der konfigurierbaren Logikzellen solcher FPGAs sowie der direkten Zellen-Zellen-Verbindungen und des Verbindungsbusnetzwerks solcher FPGAs, die zum Verbessern der Zellennutzung und -funktionalität zum Ausführen von Logikfunktionen ausgelegt sind. Die Erfindung betrifft auch FPGAs, die für den Anwender zugängliche Speicherelemente darin enthalten, um eine gewisse Speicherfähigkeit zur Verwendung durch die Logikzellen der FPGA-Bauelemente zu integrieren.
Eine digitale Logik kann unter Verwendung von beliebigen von mehreren erhältlichen integrierten Schaltungsarchitekturen implementiert werden, einschließlich festverdrahteten anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), masken- oder schmelzverbindungsprogrammierten kundenspezifischen Gate-Arrays (CGAs), einer programmierbaren Matrixlogik (PALs), programmierbaren Logikmatrizes (PLAs) und anderen programmierbaren Logikbauelementen (PLDs), die typischerweise die Technologie nicht-flüchtiger EPROM- oder EEPROM-Speicherzellen zur Konfiguration durch den Anwender verwenden, und anwenderprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGAs), die im allgemeinen SRAM-Konfigurations-Bits verwenden, die während jedes Einschaltens des Chips gesetzt werden. Unter diesen verschiedenen Architekturen sind gewöhnlich jene mit einer anwenderprogrammierbaren, löschbaren und wiederprogrammierbaren Fähigkeit gegenüber jenen mit fester oder nur einmalig programmierbarer Funktionalität bevorzugt. FPGAs sind in der Lage, große, sehr komplexe Logikfunktionen zu implementieren, die nicht in eine Zweiebenen-Produktsummenform umgewandelt werden müssen, um in diese Bauelemente programmiert zu werden. Die SRAM-gesteuerten Schalter ermöglichen nicht nur, dass verschiedene Funktionen geladen werden, um ein Bauelement sehr leicht zu rekonfigurieren, sondern sind auch für eine Hochgeschwindigkeitsoperation optimiert.
Eine breite Vielfalt von FPGAs stehen nun zur Verfügung, die sich in der Komplexität von ihren Komponentenlogikzellen sowie in den Verbindungsbetriebsmitteln, die vorgesehen sind, unterscheiden. FPGAs sind beispielsweise im US-Pat. Nr. 4 706 216; 4 758 985; 5 019 736; 5 144 166; 5 185 706; 5 231 588; 5 258 688; 5 296 759; 5 343 406; 5 349 250; 5 352 940; 5 408 434; und vielen anderen offenbart.
Eine typische FPGA-Architektur besteht aus einer zweidimensionalen Anordnung oder Matrix von konfigurierbaren Logikzellen, die durch eine programmierbare Verbindungsstruktur, die sowohl aus direkten Verbindungen zwischen benachbarten Logikzellen als auch einem Netzwerk von Busleitungen und Verbindungsschaltern, die zwischen den Zeilen und Spalten von Zellen in der Matrix verteilt sind, besteht, selektiv miteinander verbunden werden können. Um den Umfang der Matrix verbindet ein Satz von Eingangs/Ausgangs-Kontaktstellen mit dem Busnetzwerk, den Umfangslogikzellen oder beiden, wobei ermöglicht wird, dass Signale in den und aus dem Chip übertragen werden. Jede einzelne Logikzelle ist programmiert, um eine relativ einfache Logikfunktion auszuführen. Jede Logikzelle umfasst typischerweise eine Eingangs- und Ausgangsauswahllogik (MUX), eine kombinatorische Logik, eine oder mehrere Speicherelemente (Flip-Flop-Register) für eine synchrone Operation und möglicherweise ein oder mehrere interne Rückführungsleitungen zum Ausführen einer sequentiellen Logik. Die kombinatorische Logik in den Zellen von einigen FPGAs liegt in Form von Logikgattern mit fester Funktion, möglicherweise mit auswählbaren Eingangskonfigurationen, vor. Eine bevorzugte FPGA-Zelle verwendet jedoch einen Nachschlagetabellenspeicher (konfigurierter SRAM), um eine breitere Vielfalt von Logikfunktionen vorzusehen. Die Speicherzellen der Nachschlagetabelle speichern einen Satz von Datenbits, deren Werte der Wahrheitstabelle für eine spezielle Funktion entsprechen. Ein Satz von Eingangssignalen, die auf den Adressenleitungen des Speichers dargestellt werden, bewirkt, dass der Speicher ein Ein-Bit-Ausgangssignal liefert, das der Wert ist, der an der Adresse gespeichert ist, die durch diese Eingangssignale festgelegt wird. Daher implementiert der Nachschlagetabellenspeicher eine Funktion, die durch die gespeicherten Wahrheitswerte im Speicher festgelegt ist. Die Verbindungsstruktur sieht direkte Verbindungen zwischen jeder Zelle und ihren nächsten Nachbarn in derselben Zeile oder Spalte der Matrix vor. Das US-Pat. Nr. 5 296 759 sieht zusätzlich Verbindungen mit diagonal benachbarten Zellen in einer Richtung vor. Zusätzlich zu den direkten Zellen-Zellen-Verbindungen sieht ein Satz von "lokalen" Busleitungen Verbindungen zwischen den Zellen und einem Busleitungsnetzwerk vor. Regelmäßig beabstandete konfigurierbare Schalter, die Zwischenverstärkereinheiten genannt werden, verbinden die kurzen lokalen Bussegmente mit längeren Expressbussen. Die Zwischenverstärker sind normalerweise in Zeilen und Spalten ausgerichtet, wodurch die gesamte Matrix in Blöcke von Zellen unterteilt wird. Eine übliche Anordnung organisiert Gruppen von 64 Logikzellen zu 8×8-Blöcken, die jeweils einen zugehörigen Satz von lokalen Bussegmenten aufweisen. Im Gegensatz zu den lokalen Bussegmenten erstrecken sich die Expressbusse über mehr als einen Block von Zellen über die Zwischenverstärker, was ermöglicht, dass Signale zwischen verschiedenen Blöcken von Zellen geleitet werden. Die Expressbusleitungen greifen auf die Logikzellen nur über die lokalen Bussegmente zu, wobei Signallaufzeitverzögerungen auf den Expressleitungen verringert werden.
FPGA-Entwickler machen weiterhin Verbesserungen bei einem Versuch, die Geschwindigkeit und Funktionsflexibilität der Bauelemente zu steigern. Es ist beispielsweise ein Konstruktionsziel, die Funktionsfähigkeiten der einzelnen Logikzellen zu erhöhen, während gleichzeitig die Zellen klein und einfach gehalten werden, was eine Haupteigenschaft der FPGA-Architektur ist. Ein weiterer Bereich, der eine Verbesserung benötigt, ist die Gesamtzellennutzung der Schaltung. Aufgrund einer Anzahl von Kompromissen und Ineffizienzen in dem Busleitungsnetzwerk und der Zellen-Bus-Schnittstelle werden FPGA-Zellen insbesondere häufig nur als "Drahtzellen" zum Leiten von Signalen zwischen anderen Zellen verwendet, was rechtwinklige Wendungen, Überkreuzungsverbindungen und eine Signalausgangsverzweigung vorsieht. Eine solche Signalleitweglenkung ist eine ineffiziente Verwendung von Logikzellen. Idealerweise würde die Leitweglenkung nur durch die direkten Verbindungen und das Busleitungsnetzwerk vorgesehen werden, während die Logikzellen nur für die Logik verwendet werden würden. Aufgrund der relativen Einfachheit der von einzelnen Zellen durchgeführten Funktionen stellen einige Konstruktionen auch Zellen bereit, die zum Ausführen von speziellen Funktionen wie z. B. Decodier- und schnellen Übertragungsoperationen reserviert sind. Wenn die spezielle Funktion nicht erforderlich ist, wird diese Zelle leider verschwendet. Die Zellenkonstruktion selbst kann zur Gesamtnutzung von Zellen in einer Matrix beitragen. Vorzugsweise weisen die Zellen eine Spiegel- und Drehsymmetrie bezüglich der Funktionen auf, die für ihre mehreren Eingänge und Ausgänge verfügbar sind, was den Bedarf für die Signalwendung verringert und die Funktionsanordnung der Matrix von Zellen vereinfacht. Schließlich besteht bei den meisten FPGAs ein Bedarf für einen für den Anwender zugänglichen Direktzugriffsspeicher (RAM). Verschiedene Hersteller verwenden unterschiedliche Methoden, um diesen erforderlichen Ein-Chip-Speicher vorzusehen. Altera stellt beispielsweise einen RAM an der Außenkante der Matrix bereit, während Actel abwechselnde Bänder von Logikzellen und eines RAM bereitstellt. Xilinx ermöglicht, dass der Nachschlagetabellenspeicher innerhalb der Logikzellen durch den Anwender während der Bauelementoperation aktualisiert wird, um die von diesen Zellen bereitgestellten Funktionen zu ändern.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines FPGA mit erhöhter Logikzellenfunktionalität, verbesserter Zellennutzung, effizienterer Signalleitweglenkung durch das Busleitungsnetzwerk und direkten Zellen-Zellen-Verbindungen und einer integrierten, für den Anwender zugänglichen Speicherfähigkeit in dem Bauelement.
Die Aufgabe wird durch eine FPGA-Matrix nach Anspruch 1 gelöst.
Globale Taktsignale, von denen viele für jede Spalte von Zellen zur Auswahl aus diesen vorhanden sein können, können eine Polarität aufweisen und eine Auswahl auf der Basis eines Sektors von mehreren Zellen in einer Spalte von Zellen ermöglichen. Globale Setz- oder Rücksetzsignale können auch eine Polarität aufweisen und die Auswahl auf einer sektorweisen Basis ermöglichen.
1 ist eine schematische Draufsicht auf eine FPGA-Schaltung.
2 ist eine schematische Draufsicht auf vier Logikzellen der FPGA-Schaltung von 1, die direkte Verbindungen zwischen Zellen darstellt.
3 ist eine schematische Draufsicht auf vier Logikzellen einer FPGA-Schaltung, die ein alternatives Ausführungsbeispiel von direkten Zellen-Zellen-Verbindungen darstellt.
4 ist eine schematische Draufsicht auf einen 4x4-Block von Logikzellen der FPGA-Schaltung von 1 mit einem Busleitungsnetzwerk und einem RAM.
5 ist ein schematischer Logikebenen-Schaltplan einer Logikzelle der FPGA-Schaltung von 1.
6 ist ein schematischer Schaltplan einer Zellen-Bus-Schnittstelle für die Logikzelle von 5.
7 und 8 sind schematische Logikebenen-Schaltpläne von zwei alternativen Logikzellen-Ausführungsbeispielen einer FPGA-Schaltung.
9 und 10 sind schematische Draufsichten auf Teile der FPGA-Schaltung von 1, die eine Takt- und Rücksetzsignalverteilung für die vorliegende Erfindung zeigen.
11 ist eine schematische Draufsicht auf vier Blöcke von Zellen von 4, die die versetzte Anordnung der Zwischenverstärker-Schalteinheiten in der FPGA-Schaltung darstellt.
12 ist eine schematische Draufsicht auf einen 3x3-Satz von Blöcken von Zellen des FPGA von 1 und 4, die die Anordnung von zweckorientierten Funktionselementen (DFE) wie z. B. einem RAM an den Ecken von jedem Block zwischen den Zeilen und Spalten von Zwischenverstärkern darstellt.
13 ist ein schematischer Logikebenen-Schaltplan eines RAM und der RAM-Bus-Schnittstelle für die FPGA-Schaltung der vorliegenden Erfindung.
14 ist eine schematische Draufsicht auf einen Teil einer FPGA-Schaltung, die acht Blöcke von Logikzellen und, ihre zugeordneten RAM-Blöcke enthält, welche ein alternatives Verbindungsschema des RAM mit dem Busnetzwerk zudem in 4 gezeigten darstellt.
15 ist eine vergrößerte Ansicht des RAM-Blocks in dem gestrichelten Kreis 150 in 14.
16 ist ein teilweises schematisches Diagramm eines Satzes von Logikzellen am Umfang der FPGA-Schaltung von 1, welches die Anschlussfähigkeit von Zellen an einen Satz von E/A-Kontaktstellen für die Schaltung darstellt.
17 ist ein schematischer Logikebenen-Schaltplan einer Eckenlogikzelle des FPGA und der Zellen-Kontaktstellen-Schnittstelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
18 ist ein teilweises schematisches Diagramm eines Satzes von Logikzellen am Umfang der FPGA-Schaltung von 1, welches eine alternative Anschlussfähigkeit solcher Zellen an E/A-Kontaktstellen der Schaltung zu der in 16 gezeigten darstellt.
19 ist ein schematischer Logikebenen-Schaltplan einer Zellen-Kontaktstellen-Schnittstellenzusammenfassung der in 18 gezeigten Anschlussfähigkeit.
20 und 21 sind schematische Logikebenen-Schaltpläne von Zellen-Kontaktstellen-Schnittstellen für zwei Arten von E/A-Kontaktstellen gemäß einem dritten Verbindungsausführungsbeispiel.
Mit Bezug auf 1 umfasst eine integrierte Schaltung eines anwenderprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGA) eine Matrix oder eine zweidimensionale Anordnung von mehreren Zeilen und Spalten von programmierbaren Logikzellen 11. Jede der einzelnen Logikzellen 11 kann konfiguriert oder programmiert werden, um eine festgelegte Logikfunktion auszuführen. Die Zellen sind zusammen sowohl direkt mit benachbarten Zellen, wie in 2 oder 3 zu sehen, als auch über ein Netzwerk von Busleitungen mit Verbindungsschaltern, wie in 4 zu sehen, verbunden, um eine komplexere Gesamtlogikfunktion des gesamten FPGA-Bauelements oder -Chips zu erzielen, welche eine Zusammensetzung der viel einfacheren Funktionen ist, die von jeder der einzelnen Zellen vorgesehen werden. Somit muss in FPGA-Bauelementen die Funktion nicht als Zweiebenen-Produktsumme berechnet werden, da die Verbindungsstruktur es möglich macht, ein Ausgangssignal von irgendeiner Logikzelle einem Eingang irgendeiner anderen Logikzelle zuzuführen, wodurch eine Kette von Logikzellen gebildet wird, die eine Funktion mit vielen Logikebenen erzeugen kann.
Das Muster von lokalen und Expressbusleitungen und ihrer Verbindungs-Zwischenverstärkerschalter in dem Busnetzwerk von 11 unterteilt die Grundmatrix von Logikzellen in kleinere geradlinige Blöcke von Zellen. Der in 1 zu sehende Satz von gestrichelten Linien 13 stellt diese unterteilte Anordnung dar, in der Gruppen von 16 Logikzellen zu quadratischen 4×4-Blöcken von Zellen organisiert sind. Jeder Block 15 weist seinen eigenen Satz von zugeordneten lokalen Bussegmenten auf, die für diese spezielle Gruppe von Logikzellen reserviert sind, wie nachstehend mit Bezug auf 4 und 11 zu sehen ist, während sich Expressbusleitungen über mehr als einen Block erstrecken, um Signale zwischen den verschiedenen Blöcken von Logikzellen zu leiten. Obwohl die in 1 gezeigte Schaltung 32 Zeilen und Spalten von Zellen (insgesamt 1024 Logikzellen) aufweist, die als 8 × 8-Matrix von 4 × 4-Zellenblöcken organisiert sind, können andere Bauelemente typischerweise nicht mehr als 16 Zeilen und Spalten von Zellen oder nicht weniger als 64 (oder mehr) Zeilen und Spalten von Zellen aufweisen. Die Blöcke 15 von Logikzellen 11 müssen nicht über das gesamte FPGA-Bauelement dieselbe Größe aufweisen. Verschiedene Quadranten des Bauelements können beispielsweise quadratische 4 × 4-, 6 × 6- oder 8 × 8-Blöcke oder rechteckige 4 × 6-, 4 × 8-, 6 × 8-, 6 × 2- oder 8 × 16-Blöcke usw. enthalten.
Die FPGA-Schaltung weist auch Eingangs/Ausgangs- (E/A) Kontaktstellen 17 auf, die mit den Busleitungen und mit den Logikzellen entlang des Umfangs der Matrix von Zellen verbunden sind, was ermöglicht, dass Signale zu und von dem Chip übertragen werden. Die Einzelheiten der Eingangs/Ausgangs-Kontaktstellen-Verbindungen werden nachstehend mit Bezug auf 16-21 erörtert.
2 zeigt die direkten Zellen-Zellen-Verbindungen für ein Ausführungsbeispiel der Schaltung. Jede Logikzelle 11 weist einen ersten Satz von identischen A-Ausgängen und einen zweiten Satz von identischen B-Ausgängen auf. Die A-Ausgänge von irgendeiner Zelle sind mit allen vier angrenzenden nächsten benachbarten Logikzellen in derselben Zeile oder Spalte wie die Ausgabezelle verbunden. Ebenso sind die B-Ausgänge von der Zelle auch mit allen vier nächsten benachbarten Zellen verbunden. jede Logikzelle weist auch einen Satz von A-Eingängen (mit A_n, A_e, A_s, A_w bezeichnet) auf, die Signale empfangen, die von den jeweiligen A-Ausgängen der vier nächsten benachbarten Zellen ausgegeben werden. Schließlich weist jede Logikzelle einen Satz von B-Eingängen (hier als B_n, B_e, B_s, B_w bezeichnet) auf, die Signale empfangen, die von den jeweiligen B-Ausgängen der vier nächsten benachbarten Zellen ausgegeben werden. Somit sind zwischen beliebigen zwei benachbarten Zellen in derselben Zeile oder Spalte vier Verbindungssignalwege vorhanden, wobei zwei Wege in jede Richtung verlaufen.
3 zeigt direkte Zellen-Zellen-Verbindungen für ein alternatives Ausführungsbeispiel einer FPGA-Schaltung. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist jede Logikzelle 12 einen ersten Satz von identischen A-Ausgängen und einen zweiten Satz von identischen B-Ausgängen auf. Die A-Ausgänge von irgendeiner Zelle sind mit allen vier angrenzenden nächsten benachbarten Logikzellen in derselben Zeile oder Spalte wie die Ausgabezelle verbunden, aber die B-Ausgänge von der Zelle sind mit den vier diagonal angrenzenden benachbarten Zellen verbunden. Jede Logikzelle weist auch einen Satz von A-Eingängen (mit A_n, A_e, A_s, A_w bezeichnet), die Signale empfangen, die von den jeweiligen A-Ausgängen der vier nächsten benachbarten Zellen in derselben Zeile oder Spalte; wie die Empfangszelle ausgegeben werden, und einen Satz von B-Eingängen (mit B_nw, B_ne, B_se, B_sw bezeichnet), die Signale empfangen, die von den jeweiligen B-Ausgängen der vier diagonal angrenzenden benachbarten Zellen ausgegeben werden, auf. Somit steht jede Logikzelle mit allen acht benachbarten Zellen in Verbindung, und zwischen beliebigen zwei Zellen sind zwei Verbindungssignalwege vorhanden, wobei einer in jede Richtung verläuft.
4 zeigt die Zellen-Bus-Verbindungen in der FPGA-Schaltung. Die 4×4-Gruppe von Logikzellen 11 in einem einzelnen Block weist Busleitungen auf, die zwischen den Zeilen und Spalten von Zellen verteilt sind. Insbesondere können fünf Sätze von drei vertikalen Busleitungen 19 benachbart zu jeder Spalte von Logikzellen und fünf Sätze von drei horizontalen Busleitungen 21 benachbart zu jeder Zeile von Logikzellen vorhanden sein. Jeder Satz von drei Busleitungen umfasst eine lokale Busleitung 23 und zwei Expressbusleitungen 25. Die Logikzellen 11 sind nur mit den lokalen Busleitungen 23 direkt verbunden, wobei der Zugang zu den Expressbusleitungen 25 über die lokalen Busleitungen an Verbindungs-Zwischenverstärkereinheiten 27, die sich am Umfang jedes Blocks von Zellen befinden, indirekt ist. Wie nachstehend mit Bezug auf 11 erläutert wird, weisen die Zwischenverstärker 27 Busverbindungen auf, die derart versetzt sind, dass jede Expressbusleitung nur nach jeweils 8 Zellen anstatt jeweils 4 Zellen auf einen Zwischenverstärker trifft. Jede Logikzelle 11 weist 10 bidirektionale Datenbusleitungen 29 auf, die die Logikzelle mit den 5 horizontalen lokalen Busleitungen und mit den 5 vertikalen lokalen Busleitungen benachbart zur jeweiligen Zeile und Spalte von Zellen, in denen sich diese spezielle Logikzelle befindet, verbinden. Diese 10 bidirektionalen Leitungen 29 (in 6 als V0-V4 und H0-H4 bezeichnet) stehen mit ihrer entsprechenden Logikzelle in einer Weise in Verbindung, die nachstehend mit Bezug auf 6 genauer beschrieben wird, um Datensignalwege vorzusehen, über die Zelleneingangssignale (in 5 und 6 A_L, B_L, C_L und D_L) und Zellenausgangssignale (L in 5 und 6) zwischen den Logikzellen und dem Busnetzwerk übertragen werden können.
Mit Bezug auf 5 weist ein Ausführungsbeispiel einer Logikzelle in dem FPGA vier Sätze von Eingängen, einschließlich jenen, die als A-Eingänge bezeichnet sind (direkte Verbindungen A_n, A_e, A_s, A_w von benachbarten Zellen und einem lokalen Buseingang A_L), einen zweiten Satz, der als B-Eingänge bezeichnet ist (direkte Verbindungen B_n, B_e, B_s, B_w von den benachbarten Zellen und einem lokalen Buseingang B_L), einen dritten lokalen Buseingang, der als C_L bezeichnet ist und einen vierten lokalen Buseingang, der als D_L bezeichnet ist, auf. Die Logikzelle weist auch drei Sätze von Ausgängen auf, einschließlich A-Ausgängen und B-Ausgängen, die mit den jeweiligen A-Eingängen und B-Eingängen der vier benachbarten Zellen verbunden sind, und auch einschließlich eines lokalen Busausgangs L. Die A- und B-Ausgänge und die direkten A- und B-Eingänge sind wie vorstehend mit Bezug auf 2 beschrieben verbunden. Die lokalen Buseingänge (A_L, B_L, C_L, D_L) und der lokale Busausgang (L) einer Zelle sind mit den zehn benachbarten horizontalen und vertikalen lokalen Busleitungen 23 über Verbindungssignalwege 29 wie vorher mit Bezug auf 4 beschrieben und genauer in der in 6 gezeigten Weise verbunden. Insbesondere verläuft in 6 jeder der lokalen Bus-Verbindungssignalwege (H0-H4 und V0-V4) durch ein entsprechendes Durchgangsgatter 31 zu einer von fünf Zwischensignalleitungen 33₀-33₄ innerhalb der Zelle. Jede Zwischensignalleitung 33₀-33₄ kann durch die Durchgangsgatter 31 mit einem von zwei lokalen Bus-Verbindungssignalwegen gekoppelt werden, wobei einer von ihnen von einer entsprechenden vertikalen Busleitung (über die Wege V0-V4) und der andere von einer horizontalen Busleitung (über die Wege H0-H4) stammt. Jede dieser fünf Zwischensignalleitungen 33₀-33₄ ist wiederum mit vier Buseingangs-Auswahlmultiplexern 35_A-35_D verbunden. Somit weist jeder Multiplexer 35_A-35_D fünf Eingänge auf, einen für jede Zwischensignalleitung 33₀-33₄ . Der Ausgang jedes Multiplexers 35_A-35_D bildet die vier lokalen Buseingänge (A_L, B_L, C_L, D_L) der Zelle. Daher kann irgendeine der zehn benachbarten lokalen Busleitungen, mit denen die Logikzelle verbünden ist, Eingangssignale zu irgendeinem der vier lokalen Buseingänge liefern, wie durch die Durchgangsgatter 31 und die Auswahl der Multiplexer 35_A-35_D konfiguriert. Der lokale Busausgang Lfür die Logikzelle steht auch mit den fünf Zwischensignalleitungen 33₀-33₄ über einen Satz von Durchgangsgattern 37 in Verbindung. Daher kann der Ausgang L verbunden werden, um Ausgangssignale zu irgendeiner der zehn benachbarten lokalen Busleitungen zu liefern, wie durch die Durchgangsgatter 37 und 31 konfiguriert. Falls erwünscht, kann der Ausgang L sowohl mit einer horizontalen Busleitung als auch einer vertikalen Busleitung gleichzeitig verbunden werden, indem beide entsprechenden Verbindungsdurchgangsgatter 31 freigegeben werden. Obwohl üblicherweise eine der Zwischensignalleitungen 33 durch ein Durchgangsgatter 37 zur Verwendung des lokalen Busausgangs L ausgewählt wird und die anderen vier Zwischensignalleitungen 33 durch die Multiplexer 35_A-35_D zum Empfang von lokalen Buseingangssignalen ausgewählt werden (und die entsprechenden Ausgangsdurchganggatter 37 gesperrt werden), hat der Anwender die Wahl, die Ausgangsdurchgangsgatter 37 und die Eingangsauswahlmultiplexer 35_A-35_D zu konfigurieren, um einen Rückführungsweg vom lokalen Busausgang L zu irgendeinem der lokalen Buseingänge A_L, B_L, oder D_L vorzusehen, wenn zusätzliche Rückführungswege erforderlich sind. (Wie in 5 zu sehen, ermöglicht die interne Zellenstruktur bereits die Auswahl der Rückführung gegen den lokalen C_L-Buseingang durch den Multiplexer 39).
Wenn man zu 5 zurückkehrt, kann die interne Logik jeder Logikzelle zwei 8-Bit-Nachschlagetabellen (L.U.T.s) 45 und 47 enthalten, die durch die A-, B- und C-Eingänge adressiert werden. Die Nachschlagetabellen bestehen typischerweise aus statischen RAM-Speicherzellen, die als Festwertspeicher betrieben werden, d. h. die während der anfänglichen Konfiguration des FPGA-Bauelements belegt werden und während des Betriebs nicht dynamisch umprogrammiert werden. Der Satz von A-Eingängen (A_n, A_e, A_s, A_w, A_L) wird von einem Multiplexer 41 empfangen und einer von ihnen wird ausgewählt. Der ausgewählte Ausgang dieses A-Multiplexers wird mitdem a₀-Adresseneingang der ersten L.U.T. 45 und dem a₁-Adresseneingang der zweiten L.U.T. 47 verbunden. Der Satz von B-Eingängen (B_n, B_e, B_s, B_w, B_L) wird ebenso durch einen B-Eingangs-Auswahlmultiplexer 43 ausgewählt und der ausgewählte Ausgang wird mit dem a₀-Adresseneingang der zweiten L.U.T. 47 und dem a₁-Adresseneingang der ersten L.U.T. 45 verbunden. Ein dritter Multiplexer 39 empfängt den lokalen Buseingang C_L und ein internes Rückführungssignal auf der Rückführungsleitung 40 und gibt eines von ihnen an die a₂-Adresseneingänge der ersten und der zweiten L.U.T. 45 und 47 aus. Die Logikzelle verwendet die zwei 8-Bit-Nachschlagetabellen 45 und 47, um eine breite Vielfalt einer kombinatorischen Logik bereitzustellen. Die SRAM-Speicherzellen der zwei L.U.T.s 45 und 47 speichern einen Satz von Datenbits, deren Werte der Wahrheitstabelle für eine spezielle Logikfunktion entsprechen. Wenn ein Satz von Eingangssignalen an jedem der drei Adresseneingänge (a₀-a₂) der L.U.T.s dargestellt wird, lesen die zwei Tabellen die jeweiligen Bitwerte, die an den Adressen gespeichert sind, die durch diese Eingangssignale festgelegt werden. Somit liefert jede L.U.T. 45 und 47 an ihrem jeweiligen Ausgang 49 und 51 ein Ein-Bit-Ausgangssignal, das eine spezielle Funktion des Satzes von Eingangssignalen ist, wobei die vom Speicher implementierte Funktion durch die gespeicherten Wahrheitswerte festgelegt ist.
Die Ausgänge 49 und 51 der Nachschlagetabellen 45 und 47 verzweigen sich zu einer Anzahl von Signalwegen, die sowohl zu den A- und B-Ausgängen der Zelle als auch zum lokalen Busausgang L führen. Insbesondere sind die Ausgänge 49 und 51 der L.U.T.s mit jeweiligen Datenleitungen 52 und 53 verbunden, die durch jeweilige erste und zweite Ausgangsmultiplexer 54 und 55 mit den Ausgangsleitungen 56 und 57 gekoppelt werden können, die Ausgangssignale zu den jeweiligen A- und B-Ausgängen liefern. Die L.U.T.-Ausgänge 49 und 51 stehen auch mit jeweiligen zweiten Datenleitungen 59 und 60 in Verbindung, die zu noch einem dritten Ausgangsmultiplexer 61 führen. Das Steuersignal für den Multiplexer 61 wird vom lokalen Buseingang D_L oder von einem Signal mit festem Logikpegel ("0" oder "1") abgeleitet, wie durch einen Multiplexer 62 ausgewählt. Wenn das "0"-Logiksignal ausgewählt wird, überträgt der dritte Ausgangsmultiplexer 61 das Ausgangssignal der ersten Nachschlagetabelle 45, das über die zweite Datenleitung 59 empfangen wird, zu seinem Ausgang 63, wenn jedoch das "1"-Logiksignal ausgewählt wird, überträgt der dritte Ausgangsmultiplexer 61 das Ausgangssignal der zweiten Nachschlagetabelle 47, das über die andere, zweite Datenleitung 60 empfangen wird, zu seinem Ausgang 63. Wenn der lokale Buseingang D_L ausgewählt wird, ist die Steuerung des dritten Ausgangsmultiplexers 61 dynamisch. Tatsächlich wirken die zwei 8-Bit-Nachschlagetabellen 45 und 47 dann zusammen als einzelne 16-Bit-Nachschlagetabelle, wobei der lokale Buseingang DL als vierter Adresseneingang zum Zugreifen auf das gewünschte Datenbit, das in der kombinierten Nachschlagetabelle gespeichert ist, wirkt. Der ausgewählte dritte Multiplexerausgang 63 ist in zwei parallele Wege aufgeteilt, wobei einer ein kombinatorischer Weg 65 ohne Register und der andere ein Weg mit Register, der einen Flip-Flop 66 enthält, ist. Ein vierter Ausgangsmultiplexer 67 verbindet einen dieser zwei Wege mit seinem Ausgang 69. Der vierte Multiplexerausgang 69 teilt sich auch in mehrere parallele Wege auf. Einer dieser Wege 70 führt zum ersten Ausgangsmultiplexer 54 für eine mögliche Auswahl und Kopplung mit den A-Ausgängen der Zelle, und ein anderer dieser Wege 71 führt zum zweiten Ausgangsmultiplexer 55 für eine mögliche Auswahl und Kopplung mit den B-Ausgängen der Zelle. Ein dritter Weg führt durch einen Ausgangspuffer 73 zu einer Ausgangsleitung 75, die Ausgangssignale zum lokalen Busausgang L der Zelle liefert. Der Ausgangspuffer 73 kann ein Puffer mit drei Ausgangszuständen sein, der durch ein Freigabesignal gesteuert wird, das von noch einem weiteren Multiplexer 74 geliefert wird. Auswählbare Optionen umfassen ein "1"-Logiksignal, bei dem der Puffer 73 immer freigegeben wird, und zwei dynamische Ausgangsfreigabesignale OE_H und OE_V, die von zweckorientierten Busleitungen empfangen werden. Ein vierter Weg für den vierten Multiplexerausgang 69 ist ein Rückführungsweg 40, der zum Eingangsmultiplexer 39 für eine mögliche Auswahl anstelle des lokalen Buseingangs C_L führt.
Die Zellenstruktur ergibt eine beträchtliche Flexibilität, während eine relative Einfachheit und kompakte Größe beibehalten werden. Die A- und B-Eingangsmultiplexer 41 und 43 sehen eine vollständige Symmetrie bezüglich der vier nächsten benachbarten Zellen vor. Ebenso sieht die Eingangsschaltung des lokalen Busses von 6 eine vollständige Identität von Optionen für alle zehn der lokalen Busverbindungen der Zelle vor. Am Ausgangsende der Zelle sind die A- und B-Ausgänge mit entsprechenden Optionen versehen. Die A-Ausgänge können mit dem Ausgangssignal der ersten Nachschlagetabelle 45 versehen werden, entweder ohne Register über die direkte Signalleitung 52 oder mit Register über die zweite Signalleitung 59, das Register 66 und die Signalleitung 70. Oder sie können mit dem Ausgangssignal der zweiten Nachschlagetabelle 47 über die zweite Signalleitung 60 und die Signalleitung 70, wieder entweder mit Register oder ohne Register, versehen werden. Oder sie können mit Register oder ohne Register mit dem Ausgangssignal der kombinierten 16-Bit-L.U.T. versehen werden, wenn der lokale Buseingang D_L durch den Multiplexer 62 ausgewählt wird, um als vierter Adresseneingang zu wirken. Ebenso können die B-Ausgänge mit dem Ausgangssignal der zweiten Nachschlagetabelle 47, der ersten Nachschlagetabelle 45 oder der kombinierten 16-Bit-Nachschlagetabelle versehen werden, und beliebige dieser Ausgänge können entweder mit Register oder ohne Register sein. Dieselben Optionen stehen auch für den lokalen Busausgang L der Zelle zur Verfügung.
Zusätzlich zu den symmetrischen und flexiblen Eingangs- und Ausgangsauswahloptionen führt die Zellenstruktur zu einem relativ schnellen Durchsatz von den Eingängen zu den direkten Zellen-Zellen-Ausgängen der Zelle. Aufgrund der Einfachheit der Zelle können nicht mehr als drei Schaltungselemente zwischen einem Eingang und einem Ausgang der Zelle vorhanden sein. Insbesondere verlaufen die A-, B-, C- und D-Eingangssignale nur durch eine Auswahlschaltung, nämlich irgendeinen der Multiplexer 41, 43, 39 und 62, bevor sie einen Adresseneingang a₀, a₁, a₂ oder den Steuereingang des Multiplexers 61 erreichen, die gemeinsam den Zugriff auf die Datenbits steuern, die in den Nachschlagetabellen 45 und 47 gespeichert sind. Ebenso kann auf der Ausgangsseite der Nachschlagetabellen 45 und 47 ein auf den Nachschlagetabellen-Ausgangsleitungen 49 und 51 geliefertes Signal nur durch einen Multiplexer 54 oder 5.5 verlaufen, um die A- oder 8-Ausgänge der Zelle zu erreichen.
7 zeigt eine alternative Logikzelle. Die Zelle umfasst einen Satz von Eingangsmultiplexern 41', 43', 39' und 62', die A-, B-, C- und D-Eingänge empfangen und auswählen. Die A-Eingänge umfassen wie in 5 direkte Zellen-Zellen-Eingänge A_n, A_e, A_s und A_w von angrenzenden nächsten benachbarten Logikzellen in derselben Zeile oder Spalte wie die fragliche Zelle, und umfassen auch einen lokalen Buseingang A_L. Die B-Eingänge können auch dieselben wie in 5 sein oder können alternativ Zellen-Zellen-Eingänge B_nw, B_ne, B_se und B_sw von diagonal benachbarten Logikzellen zusätzlich zum lokalen Buseingang B_L umfassen. Somit können die B-Eingänge den in 3 gezeigten Zellen-Zellen-Verbindungen entsprechen. Der Eingangsmultiplexer 39' wählt entweder einen lokalen Buseingang C_L oder ein "1"-Logiksignal aus. Sein Ausgang 42' ist mit einem Eingang eines UND-Gatters 44' verbunden. Ein Multiplexer 38' wählt entweder ein Rückführungssignal auf der Rückführungsleitung 34', einen lokalen Buseingang D_L oder ein "1"-Logiksignal aus und übergibt das ausgewählte Signal an seinem Ausgang 40' dem anderen Eingang des UND-Gatters 44'. Folglich kann das UND-Gatter 44' entweder den lokalen Buseingang C_L oder D_L oder ein Rückführungssignal an seinem Ausgang 46' durchlassen oder kann die lokalen Buseingänge C_L und D_L (oder den Eingang C_L mit dem Rückführungssignal) logisch kombinieren (UND), um die UND-Verknüpfung dieser zwei Eingangssignale zu bilden. Die Zelle mit dem UND-Gatter 44' sieht die Fähigkeit vor, ein Element eines Matrixmultiplizierers in einer einzelnen Zelle zu implementieren. Wie in 5 stehen die ausgewählten Ausgänge der Eingangsmultiplexer 41' und 43' mit zwei der Adresseneingänge a₀ und a₁ von zwei 8-Bit-Nachschlagetabellen 45' und 47' in Verbindung. Der Ausgang, 46' des UND-Gatters 44' ist mit einem dritten Adresseneingang a₂ der Nachschlagetabellen 45' und 47 verbunden.
Wie in 5 sind die Ausgänge der Nachschlagetabellen 45' und 47' über die Ausgangsmultiplexer 54' und 55' mit jeweiligen A- und B-Ausgängen der Logikzelle verbunden. Die Tabellen 45' und 47' sind auch mit einem dritten Multiplexer 61' verbunden, der durch ein festes "0"- oder "1"-Steuersignal oder durch den lokalen Buseingang D_L gesteuert wird, wie durch noch einen weiteren Multiplexer 62' ausgewählt. Wenn der lokale Buseingang D_L ausgewählt wird, kombinieren sich die zwei Nachschlagetabellen 45' und 47' wie vorher effektiv zu einer einzelnen 16-Bit-Tabelle, wobei der lokale Buseingang D_L als vierter Adresseneingang wirkt. Der ausgewählte Ausgang des dritten Multiplexers 61 steht mit einer Auswahlschaltung mit Register/ohne Register in Verbindung, die aus einem Signalweg 65' ohne Register, einem Flip-Flop-Register 66' in einem Signalweg mit Register und einem Multiplexer 67, der einen dieser zwei Signalwege auswählt, besteht. Der resultierende Ausgang 69' ist über die Multiplexer 54' und 55' mit den A- und B-Ausgängen der Zelle und über einen Ausgangspuffer 73' mit dem lokalen Busausgang L der Zelle verbunden. Wieder kann der Ausgangspuffer 73' ein Puffer mit drei Ausgangszuständen sein, der auf ein Ausgangsfreigabesignal reagiert, das von einem Multiplexer 74' ausgewählt wird. 7 stellt auch dar, dass die Ausgangspufferschaltung 73' auch eine Ausgangspolaritätssteuerung über noch einen weiteren Multiplexer 72' umfassen kann.
Mit Bezug auf 8 verwendet eine weitere alternative Logikzelle gemäß der vorliegenden Erfindung zwei statische 8×1-RAMs, die während der Operation des Bauelements durch Liefern einer Schreibfreigabe und eines Datenzugriffs zur Zelle vom Busnetzwerk beschreibbar sind. Dies ermöglicht, dass die Zellen als Ein-Chip-Speicher verwendet werden, oder ermöglicht alternativ, dass Logikfunktionen, die' normalerweise durch im voraus belegte und feste Nachschlagetabellen ausgeführt werden, während der Operation z. B. durch das Bauelement selbst infolge einer gewissen Funktion, die von anderen Zellen im FPGA-Bauelement ausgeführt wird, dynamisch geändert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Eingangsmultiplexer 41", 43" und 39" mit den direkten A-, B- und C- und den lokalen Buseingängen und der Rückführungsleitung 40" und mit den Adresseneingängen a₀, a₁ und a₂ der SRAMs 45" und 47" in derselben Weise wie in 5 verbunden. Die Ausgänge 49" und 51" der SRAMs 45" und 47" teilen sich jeweils in einen Weg 64" und 65" ohne Register und einen Weg mit Register, der einen Flip-Flop 66" und 68" enthält, die zu Ausgangsmultiplexern 54" bzw. 55" führen, auf. Die Ausgänge der Multiplexer 54" und 55" führen entlang Signalwegen 56" und 57" zu den direkten A- und B-Zellen-Zellen-Ausgängen der Logikzelle und führen auch entlang zweiter Signalwege 59" und 60" zu einem Ausgangsauswahlmultiplexer 61" des lokalen Busses, der von einem durch einen Multiplexer 62" ausgewählten Signal gesteuert wird. Diese Wahl umfasst feste logisch niedrige ("0") und logisch hohe ("1") und dynamische lokale Buseingangssignale D_H und D_V, die jeweils von horizontalen und vertikalen lokalen Bussen erhalten werden. Wenn ein dynamisches lokales Buseingangssignal D_H oder D_V ausgewählt wird, um den Ausgangsmultiplexer 61" zu steuern, dann wirkt dieses Eingangssignal effektiv als vierter Adresseneingang für einen kombinierten 16-Bit-SRAM, der aus den zwei 8-Bit-SRAMs 45" und 47" besteht. Der ausgewählte Ausgang 69" aus dem Ausgangsmultiplexer 61" ist mit einer Rückführungsleitung 40" verbunden, die zum Eingangsmultiplexer 39" führt, und ist auch über einen Puffer 73" mit einem lokalen Busausgang L verbunden. Wie vorher kann der Puffer 73" eine Ausgangsfreigabesteuerung von einem lokalen Bus OE_H oder OE_V über einen Multiplexer 74" aufweisen. Alternativ kann die Schaltung zwischen den SRAM-Ausgängen 49" und 51" und den direkten A- und B-Ausgängen und dem lokalen Busausgang L wie in 5 sein.
Der Schreibzugriff auf die SRAMs 45" und 47", der für dieses Zellenausführungsbeispiel einzigartig ist, wird durch eine Leitung 84" DATA-IN, die mit dem FPGA-Busnetzwerk und mit Dateneingängen d₀ der zwei SRAMs 45" und 47" verbunden ist, durch Adresseneingänge a₀-a₂ und durch eine Schreibfreigabeschaltung, die ein Schreibfreigabesignal WE zu einem der SRAMs 45" und 47" liefert, vorgesehen.Die Schreibfreigabeschaltung umfasst zwei UND-Gatter 76" und 77" mit jeweils drei Eingängen 78"–80" und jeweils mit einem Ausgang, der mit dem Schreibfreigabeeingang in einen der SRAMs 45" und 47" gekoppelt ist. Einer der UND-Gatter-Eingänge 78" empfängt dasselbe Steuersignal, das vom Multiplexer 62" ausgewählt wird, wie der Ausgangsmultiplexer 61" des lokalen Busses. Das heißt, der Eingang 78" empfängt selektiv entweder feste logisch niedrige ("0") oder hohe ("1") oder dynamische lokale Buseingangssignale D_H oder D_V. Der Eingang 78" wird vor der Ankunft am UND-Gatter 76" invertiert, wird jedoch nicht vor der Ankunft am anderen UND-Gatter 77" invertiert. Somit empfängt nur einer der SRAMs 45" und 47" auf einmal ein Schreibfreigabesignal. Wenn der Eingang 78" auf einem niedrigen Logikpegel liegt, wird der linke SRAM 45" freigegeben, wenn jedoch der Eingang 78" auf einem hohen Logikpegel liegt, wird der rechte SRAM 47" freigegeben. Die Verwendung desselben Steuersignals für die Ausgangsmultiplexer 61" des lokalen Busses stellt sicher, dass die von der Leitung 84" DATA-IN geschriebenen Daten am lokalen Busausgang L überprüft werden können. Der zweite UND-Gatter-Eingang 79" liefert ein invertiertes TAKT-Signal zu den UND-Gattern 76" und 77", um sicherzustellen, dass die zu schreibenden Eingangsdaten auf der Leitung 84" korrekt hergestellt werden, bevor das Schreibfreigabesignal WE zum ausgewählten SRAM 45" und 47" geliefert wird. Der dritte UND-Gatter-Eingang 80" liefert das Schreibfreigabesignal WE selbst über einen Multiplexer 82" der ermöglicht, dass das Schreiben für diese Logikzelle selektiv gesperrt wird (durch ein festes niedriges Logikeingangssignal "0").
Mit Bezug auf 9 und 10 empfängt das Flip-Flop-Register (oder die Flip-Flop-Register) 66, 66', 66" und 68" in jeder Zelle (5, 6 bzw. 8) ein TAKT-Eingangssignal und ein. RÜCKSETZ- (oder Setz-) Eingangssignal. 9 zeigt die Taktverteilungsschaltung für ein FPGA der vorliegenden Erfindung. Es können mehrere globale Taktleitungen CK0-CK7 vorhanden sein, die Taktsignale liefern, die sich in der Frequenz, Phase oder beiden voneinander unterscheiden können. Andere mögliche Taktverteilungsanordnungen können irgendeine andere Anzahl von Taktleitungen, die teilweise die Multiplexer 88 belegen, usw. umfassen. Jede Spalte von Logikzellen 11 kann mit ihrem eigenen Taktauswahlmultiplexer 88 mit Eingängen, die jeweils mit einigen oder allen der globalen Taktleitungen CK0-CK7 verbunden sind, versehen sein. Somit kann jede Spalte von Logikzellen 11 mit einem anderen Taktsignal gegenüber den anderen Spalten von Logikzellen 11 versehen werden. Der Ausgang jedes Taktauswahlmultiplexers 88 bildet eine Hauptspaltenleitung 92 zum Verteilen des ausgewählten Taktsignals zu jeder der Zellen in dieser Spalte. Die Spalte von Logikzellen kann in Sektoren von jeweils 4 oder 8 oder allgemeiner N Zellen unterteilt sein. In 9 ist zu sehen, dass ein Sektor 14 aus 4 Zellen besteht. Für jeden Sektor von Zellen ist eine Taktpolaritätsauswahl- und Verteilungsfreigabeschaltung 94, die von der Hauptspaltenleitung 92 abzweigt, vorgesehen. Diese Schaltung 94 umfasst einen ersten Multiplexer 106 mit einem Eingang, der mit der Hauptspaltenleitung 92 verbunden ist, zum Empfangen eines Taktsignals und einem weiteren Eingang, der ein festes hohes ("1") Logiksignal empfängt. Wenn das Taktsignal durch den Multiplexer 106 ausgewählt wird, dann wird dieses Signal zum entsprechenden Sektor 14 von Logikzellen 11 verteilt, wenn jedoch das feste Signal ausgewählt wird, dann wird kein Taktsignal zu diesem Sektor 14 geliefert. Die Schaltung 94 umfasst ferner einen gegabelten Signalweg (105 und 107), der zu einem zweiten Multiplexer 108 führt. Ein Eingang des zweiten Multiplexers kommt direkt vom Ausgang 105 des ersten Multiplexers 106, während der andere Eingang zuerst durch einen Inverter 107 verläuft. Der zweite Multiplexer 108 ermöglicht somit, dass die Polarität des Taktsignals für den entsprechenden Sektor ausgewählt wird, wodurch ermöglicht wird, dass andere Sektoren in derselben Spalte von Logikzellen 11 das Taktsignal mit der entgegengesetzten Polarität empfangen. Schließlich können einige Sektoren von Zellen im Gegensatz zum obersten Satz von Sektoren, die am nächsten zu den globalen Taktleitungen CK0-CK7 liegen, alternativ ein direktes A-Ausgangssignal 110 von einer Zelle in einem benachbarten Sektor von Zellen in derselben Spalte empfangen.
In 10 kann die Polarität eines RÜCKSETZ-Signals, das von einer globalen RÜCKSETZ-Leitung 114 geliefert wird, um Spaltenleitungen 115 zurückzusetzen, ebenso durch Sektoren von Logikzellen mittels einer Rücksetzpolaritätsauswahl- und Verteilungsfreigabeschaltung 116, die in derselben Weise wie die Taktschaltungen 94 konstruiert ist, festgelegt werden.
Mit Bezug auf 11 sind die Logikzellen 11 zu 4 × 4-Blöcken 15 von Zellen organisiert, an deren Grenzen 13 sich ein Satz von "Zwischenverstärker" genannten Verbindungsschaltern 27 für das Busnetzwerk befindet. Wie vorher erwähnt, umfasst das Busnetzwerk Sätze von horizontalen Busleitungen 21, die zwischen den Zeilen von Logikzellen 11 verlaufen, und Sätze von vertikalen Busleitungen 19, die zwischen den Spalten von Logikzellen 11 verlaufen. Jeder Satz von Busleitungen 19 oder 21 umfasst eine lokale Busleitung 23, die auf einen einzelnen Block 15 von Zellen begrenzt ist, und zwei Expressbusleitungen 25, die sich durch die Zwischenverstärker 27 über mehrere Blöcke von Zellen erstrecken. Der Einfachheit halber ist nur ein Satz von drei Busleitungen 23 und 25 für jede Zeile und Spalte von Zellen 11 dargestellt. Wie auch vorher erwähnt, sind jedoch normalerweise fünf Sätze von drei Busleitungen 19 und 21 für jede Zeile und Spalte von Zellen 11 vorhanden, wie in 4 zu sehen. Die Zwischenverstärker 27 ermöglichen, dass lokale Busleitungen 23 mit Expressbusleitungen 25 verbunden werden. Nur lokale Busleitungen stehen direkt mit den Logikzellen 11 in Verbindung. Die Zwischenverstärker 27 weisen eine versetzte Anordnung auf, wobei irgendein Zwischenverstärker 27 eine auswählbare Verbindung zwischen einer lokalen Busleitung 23 und nur einer der zwei Expressbusleitungen 25 in dem Satz vorsieht und wobei aufeinanderfolgende Zwischenverstärker 27 mit abwechselnden Expressbusleitungen in dem Satz in Verbindung stehen. Somit trifft jede Expressbusleitung 25 alle acht Zeilen oder Spalten von Zellen 11 anstatt alle vier Zeilen oder Spalten. auf einen Zwischenverstärker 27, während jede lokale Busleitung 23 alle vier Zeilen oder Spalten von Zellen 11 auf einen Zwischenverstärker 27 trifft. Jede lokale Busleitung 23 in einem Block 15 von Zellen 11 ist mit jeder ihrer entsprechenden Expressbusleitungen 25 an entgegengesetzten Endendes Blocks 15 verbindbar. Eine bequeme Weise zum Anordnen der Zwischenverstärker 27, um die gewünschte versetzte Anordnung zu erhalten, besteht darin, dass eine gesamte Zeile oder Spalte von Zwischenverstärkern 27 mit entsprechenden Expressbusleitungen in den jeweiligen Sätzen von drei Busleitungen verbindbar ist (z. B. alle mit den am weitesten links liegenden oder obersten Expressleitungen verbunden) und die nächstfolgende Zeile oder Spalte von Zwischenverstärkern 27, im Abstand von vier Logikzellen, alle mit den entgegengesetzten entsprechenden Expressleitungen in dem Satz verbindbar ist (z. B. alle mit den am weitesten rechts liegenden oder untersten Expressleitungen verbunden) und so weiter. 11 zeigt auch, dass zusätzliche Schalter 81 dort angeordnet sein können, wo sich Zeilen und Spalten von Busleitungen schneiden, um zu ermöglichen, dass Signale zwischen Zeilen und Spalten von Busleitungen um 90° gewendet werden. Diese Schalter 81 verbinden lokale Busleitungen, mit anderen lokalen Busleitungen und Expressbusleitungen mit anderen Expressbusleitungen.
Mit Bezug auf 12 befinden sich an den Ecken jedes Blocks 15 von Logikzellen 11 in den Zwischenräumen, die an den Schnittpunkten von Zeilen und Spalten von Zwischenverstärkern 27, die die Blöcke 15 begrenzen, vorgesehen sind, zweckorientierte Funktionselemente 83 (DFE), die Speicherstrukturen wie z. B. Blöcke von birektzugriffsspeichern (RAM) sein können, oder andere zweckorientierte oder spezialisierte Schaltungen wie z. B. Multiplizierer, Schieberegister, eine digitale oder analoge Logik mit fester Funktion, Mikrosteuereinheiten, Vergleicher und Analog-Digital- oder Digital-Analog-Wandler. Da sich die Eckenzwischenräume natürlicherweise aus der Blockorganisation der Zellen und ihrer zugehörigen Busleitung und Zwischenverstärker ergeben, geschieht die Anordnung einer zweckorientierten Speicherlogik in solchen Zwischenräumen wenig oder nicht auf Kosten der Siliziumfläche für das gesamte Bauelement.
Jedes zweckorientierte Funktionselement 83 kann ein RAM-Block oder eine andere Speicherstruktur (wie z. B. ein nicht-flüchtiger Speicher) sein, der als 32 4-Bit-Datenworte für insgesamt 128 Bits pro Block organisiert ist, wie in 4 und 13 zu sehen. Mit Bezug auf 13 kann jeder RAM-Block 83 einen SRAM 85 mit fünf synchronen Adresseneingängen a₀-a₄, die Adressensignale von Adressenleitungen 86₀-86₄ über einen Satz von Flip-Flop-Registern 87 empfangen, und mit vier bidirektionalen Datenanschlüssen d₀-d₃ umfassen. Die Datenanschlüsse d₀-d₃ sind mit jeweiligen Datenleitungen 89₀-89₃ verbunden, von denen jede wiederum mit einem Paar von Eingangs- und Ausgangspuffern 90 und 91 verbunden ist. Die Eingangspuffer, 90 sind über Flip-Flops 93 mit Datenleitungen 95₀-95₃ verbunden. Die Ausgangspuffer 91 sind direkt mit den Datenleitungen 95₀-95₃ verbunden. Ein Schreibfreigabesignal WE wird von einer Schreibfreigabeleitung 96 über ein Flip-Flop-Register 97 empfangen. Der Registerausgang Q des Flip-Flops 97 ist über eine erste Verzweigung mit einem Schreibfreigabe-Eingangsanschluss des SRAM 85 und über eine zweite Verzweigung 99 über jeweilige Seitenverzweigungen 99₀-99₃ mit den Dreizustands-Steuereingängen der Eingangspuffer 90 für jeden Datenanschluss d₀-d₃ verbunden. Ein Ausgangsfreigabesignal OE wird auch von einer Ausgangsfreigabeleitung 102 über ein Flip-Flop-Register 103 empfangen. Der Ausgang 104 des Registers 103 steht mit einem ersten Eingang eines UND-Gatters 101 in Verbindung, während eine dritte Verzweigung 100 des Ausgangs des Flip-Flop-Registers 97 mit einem komplementären zweiten Eingang des UND-Gatters 101 verbunden ist. Der Ausgang 105 des UND-Gatters 101 ist überjeweilige Seitenverzweigungen 105₀-105₃ mit den Dreizustands-Steuereingängen der Ausgangspuffer 91 für jeden Datenanschluss d₀-d₃ verbunden.
Zum Schreiben von Daten in den SRAM 85 wird folglich eine 5-Bit-Rdresse synchron von den Ausgängen der Register 87 an den Adressenanschlüssen 9₀-9₄ empfangen und ein Schreibfreigabesignal wird auch synchron am Schreibfreigabeanschluss WE des SRAM 85 über die erste Verzweigung 98 vom Flip-Flop-Register 97 empfangen. Das Schreibfreigabesignal gibt auch die Eingangspuffer 90 über die Seitenverzweigungen 99₀-99₃ frei und sperrt die Ausgangspuffer 91 über das UND-Gatter 101 und die Seitenverzweigungen 105₀-105₃ . Daher werden die auf den Datenleitungen 95₀-95₃ empfangenen Datenbits über die Eingangspuffer 90 und die Datenleitungen 89₀-89₃ zu den jeweiligen Datenanschlüssen d₀-d₃ übertragen und an der Adresse, die an den Adressenanschlüssen a₀-a₄ empfangen wird, in den SRAM 85 geschrieben. Um gespeicherte Daten aus dem SRAM 85 zu lesen, werden eine Adresse und ein Ausgangsfreigabesignal OE synchron über die Register 87 und 103 an den Adressenanschlüssen a₀-a₄ bzw. am UND-Gatter 101 empfangen. Das Schreibfreigabesignal WE, das vom Register 97 übertragen wird, ist niedrig, wobei die Eingangspuffer 90 über die Verzweigungsleitungen 99₀-99₃ gesperrt werden und ermöglicht wird, dass das UND-Gatter 101 die Ausgangspuffer 91 über die Verzweigungsleitungen 105₀-105₃ freigibt. An der empfangenen Adresse gespeicherte Daten werden über die Datenanschlüsse d₀-d₃ zu den Datenleitungen 95₀ -95₃ ausgegeben. Als Alternative kann der RAM-Block 83 geeignet modifiziert werden, so dass die Schreibfreigabe- und Ausgangsfreigabesignale im aktiven Zustand niedrig sind.
Wenn man zu 4 zurückkehrt, kann der RAM-Block 83 von 13 mit dem Busnetzwerk derart verbunden sein, dass jede der fünf Adressenleitungen 86 mit einer anderen der fünf vertikalen lokalenBusleitungen 23 entsprechend einer Spalte von Zellen 11 verbunden ist, die Schreibfreigabeund Ausgangsfreigabeleitungen 96 und 102 mit zwei vertikalen Expressbusleitungen 25 entsprechend eben dieser Spalte von Zellen verbunden sind, und jede der vier Datenleitungen 95 mit einer anderen horizontalen lokalen Busleitung entsprechend jeder der vier Zeilen von Zellen 11 in der 4 × 4-Gruppe von Zellen benachbart zu diesem RAM-Block 83 verbunden ist. Andere Verbindungsschemen sind auch möglich.
Alternativ können anstelle der in 4 und 13 gezeigten Anordnung die RAM-Blöcke 83 mit dem Busnetzwerk in der, in 14 und 15 zu sehenden Weise verbunden sein. 14 zeigt acht der 4 × 4-Blöcke 15 von Logikzellen 11 zusammen mit einigen der vertikalen und horizontalen Expressbusleitungen 19 und 21, die zwischen den Zeilen und Spalten von Zellen 11 in und zwischen den Blöcken 15 verlaufen. Wendeschalter 81 verbinden ausgewählte vertikale und horizontale Busleitungen 19 und 21 miteinander, wo sie sich schneiden. In der unteren rechten Ecke jedes Blocks 15 von Logikzellen 11 befindet sich ein RAM-Block 83. Wie in 15 zu sehen, kann jeder RAM-Block 83 ein SRAM mit doppeltem Anschluss mit einem Schreibfreigabeanschluss WE, Schreibadressenanschlüssen A_in und Dateneingangsanschlüssen D_i _n für Schreiboperationen in den SRAM und mit einem Lesefreigabeanschluss OE, separaten Leseadressenanschlüssen A_out und separaten Datenausgangsanschlüssen D_out für das Lesen von Daten aus dem SRAM sein. Somit können Lese- und Schreiboperationen unabhängigund sogar gleichzeitig auf separaten Adressen- und Datenleitungen stattfinden.
Wenn man zu 14 zurückkehrt, wird eine 6-Bit-Schreibadresse (WRITE ADDR.) entsprechend einem Satz von Stellen im RAM, in die 8 Datenbits geschrieben werden sollen, vom Busnetzwerk oder von externen Kontaktstellen des Bauelements empfangen. Es ist zu sehen, dass zwei der sechs Bits in einen herkömmlichen 2-Zu-4-Bit-Decodierer 171 eingegeben werden. Der Decodierer 171 aktiviert einen und nur einen seiner vier Ausgänge 173 in Abhängigkeit davon, welchen der vier möglichen Zwei-Bit-Eingangswerte er empfängt. Jeder der vier Decodiererausgänge 173 ist mit einem Eingang von einem von vier ODER-Gattern 175 verbunden. Ein globales Schreibfreigabesignal WE wird am anderen Eingang der vier ODER-Gatter 175 empfangen. Die ODER-Gatter-Ausgänge 177 stehen mit vertikalen Expressbusleitungen 19 entsprechend jeder der vier Spalten von Blöcken 15 und ihren entsprechenden Spalten von RAM-Blöcken 83 in Verbindung. Der Schreibfreigabeanschluss WE dieser RAM-Blöcke ist mit diesen speziellen vertikalen Expressbusleitungen verbunden, um ein decodiertes Schreibfreigabesignal von den entsprechenden ODER-Gatter-Ausgängen 177 zu empfangen. Für eine beliebige Kombination der zwei Schreibadressenbits wird folglich eine der vier Spalten von RAM-Blöcken 83 für eine Schreiboperation aktiviert, wenn das globale Schreibfreigabesignal WE aktiv ist. Die anderen vier Schreibadressenbits in der 6-Bit-Adresse stehen mit horizontalen Expressbusleitungen 21 und dann über Wendeschalter 81 mit vertikalen Busleitungen 19, die mit Schreibadressenanschlüssen A_in jedes RAM-Blocks 83 verbunden sind, in Verbindung. Acht Dateneingangsleitungen D_in(0)-D_in(7) sind über horizontale Busse 19 benachbart zu jeder Zeile von Logikzellen 11 mit den Dateneingangsanschlüssen D_in der RAM-Blöcke 83 verbunden, wobei jeder RAM-Block 83 vier parallele Dateneingangssignale von entweder D_in(0)-D_in(3) oder D_in(4)-D_in(7) empfängt. Somit sind zwei Zeilen von RAM-Blöcken erforderlich, um einzelne Datenbytes in irgendeine gegebene Adresse zu schreiben.
Ebenso wird für Leseoperationen eine 6-Bit-LESEADRESSE geliefert, wobei zwei der Adressenbits mit einem weiteren 2-Zu-4-Bit-Decodierer 172 verbunden sind, welcher vier Ausgangssignale 174, eines für jede RAM-Spalte, liefert, und wobei die vier restlichen Adressenbits über horizontale Expressbusleitungen 21 und Wendeschalter 81 mit vertikalen Expressbusleitungen 19 verbunden sind, die zu Leseadressenanschlüssen der RAM-Blöcke 83 führen. Wieder werden alle acht RAM-Blöcke mit vier Adressenbits versehen, aber nur eine Spalte von RAM-Blöcken wird mit einem Lesefreigabesignal versehen, das von den zwei Adressenbits, die in den Decodierer 172 eingegeben werden, abgeleitet wird. Acht Datenausgangsleitungen D_out(0)-D_out(7) sind über horizontale Expressbusleitungen mit den Datenausgangsanschlüssen D_out in zwei Zeilen von RAM-Blöcken 83 verbunden.
Eine wertvolle Anordnung sieht eine Spiegelsymmetrie zwischen den Lese- und Schreibadressenanschlüssen A_in und A_out in benachbarten Spalten von RAM-Blöcken 83 vor. Dies verringert die erforderliche Anzahl von vertikalen Busbetriebsmitteln, die für Adressensignale verwendete. werden, um ungefähr die Hälfte, wenn ein RAM-Element mit doppeltem Anschluss konstruiert wird. Man beachte, dass sich in 14 die ersten zwei Spalten von RAM-Blöcken gemeinsame Leseadressenleitungen 176 teilen. Ebenso teilen sich die letzten zwei Spalten von RAM-Blöcken gemeinsame Leseadressenleitungen 178. Die zweite und die dritte Spalte von RAM-Blöcken teilen sich gemeinsame Schreibadressenleitungen 179. In größeren Gruppen von Speicherblöcken wie z. B. jenen mit acht oder sechzehn Spalten von RAM-Blöcken und 3-Zu-8- oder 4-Zu-16-Bit-Decodierern würde die Verwendung von vertikalen Busbetriebsmitteln von Leseadressenleitungen in einer Spalte von Logikblöcken 15 zu Schreibadressenleitungen in der nächsten Spalte von Logikblöcken 15 abwechseln.
Die zweckorientierten Funktionselemente an den Ecken von jedem Block von Logikzellen könnten auch spezialisierte Logikstrukturen wie z. B. Multiplizierer sein. Ein 4x4-Multiplizierer kann beispielsweise mit dem Busnetzwerk in derselben Weise wie der SRAM mit doppeltem Anschluss, der in 14 und 15 zu sehen ist, verbunden sein, wobei ein Satz von Adresseneingängen gegen einen Vier-Bit-Operanden ausgetauscht ist und der andere Satz von Adresseneingängen gegen einen zweiten Vier-Bit-Operanden ausgetauscht ist. Der Acht-Bit-Produkt-Ausgang des Multiplizierers ersetzt die zwei Vier-Bit-Dateneingangs- und -Datenausgangsleitungen des RAM.
Mit Bezug auf 16 können die Logikzellen 11 an der Kante der Matrix mit den Eingangs/Ausgangs- (E/A) Kontaktstellen 17 in einer beliebigen einer Anzahl von Weisen verbunden sein. Eine hier gezeigte Weise verbindet jede Logikzelle, z. B. die Zelle 112, mit drei benachbarten E/A-Kontaktstellen 117-119 über E/A-Leitungen 121-123 und verbindet auch jede E/A-Kontaktstelle, z. B. die Kontaktstelle 118, mit drei benachbarten Logikzellen 111-113 über E/A-Leitungen 122, 124 und 125. Eine Ausnahme für dieses Schema tritt gewöhnlich an den Ecken der Matrix und an den Enden der Zeile von Kontaktstellen auf. Somit ist die Endkontaktstelle 131 mit nur zwei Logikzellen 134 und 135 über E/A-Leitungen 132 und 133 verbunden. Die Eckenlogikzelle 135 ist mit vier E/A-Kontaktstellen verbunden, nämlich den Kontaktstellen 130 und 131 in einer Zeile von E/A-Kontaktstellen und den Kontaktstellen 139 und 140 in der anderen Zeile von Kontaktstellen, über E/A-Leitungen 132 und 136-138. Andere Anordnungen sind möglich.
Ein Detail des Eckenverbindungsschemas ist in 17 gezeigt. Verbindungen für andere Logikzellen und E/A-Kontaktstellen sind analog. Die spezielle Logikzelle 135, die in 17 zu sehen ist, ist die Zelle der unteren rechten Ecke der Matrix, d. h. die Zelle in der unteren Zeile und der am weitesten rechts liegenden Spalte in 1. Wie in 16 zu sehen, steht diese spezielle Zelle 135 mit den zwei am weitesten rechts liegenden E/A-Kontaktstellen 139 und 140 in der unteren Zeile von Kontaktstellen und mit den zwei untersten E/A-Kontaktstellen 130 und 131 in der rechten Zeile von Kontaktstellen der Schaltung in Verbindung. Die Zelle 135 in 17 ist wie alle anderen Zellen in der Matrix mit einem Satz von benachbarten vertikalen und horizontalen Busleitungen 19 und 21 entweder direkt mit lokalen Bussen 23 oder indirekt mit Expressbusleitungen 25 über die lokalen Busse 23 und Zwischenverstärkerschalter 27 verbunden. Wie in 4 und 6 können die Verbindungen zwischen der Zelle 135 und den 5 horizontalen und 5 vertikalen lokalen Busleitungen 23 über einen Satz von zehn bidirektionalen Datenbusleitungen 29 hergestellt werden. Die Eckenzelle 135 stellt auch direkte Verbindungen mit der nächsten benachbarten Zelle (nicht dargestellt) wie in 2 her. Da jedoch der Zelle 135 Nachbarn rechts von ihr und unter ihr fehlen, werden die vier unbenutzten direkten A- und B-Eingänge (A_E, B_E, A_S und B_S) und die vier unbenutzten direkten A- und B-Ausgänge (zwei A und zwei B) zum Erleichtern der Verbindungen mit den E/A-Kontaktstellen und mit gewissen Expressbusleitungen 25 verwendet.
Insbesondere steht jede der 5 horizontalen Expressleitungen 25, die nicht auf die End-Zwischenverstärkereinheiten 27 trifft, mit einem Paar von 5-Zu-1-Multiplexern 141 und 143 und einem Paar von fünfgliedrigen Sätzen von Schaltern 145 und 147 in Verbindung. Ebenso sind die 5 vertikalen Expressleitungen 25, die nicht auf End-Zwischenverstärkereinheiten 27 treffen, welche die Spalte von Busleitungen abschließen, mit Multiplexern 142 und 144 und Sätzen von Schaltern 146 und 148 verbunden. Die Ausgänge der Multiplexer 141 und 142 stehen mit jeweiligen direkten B-Eingängen B_E und B_S und auch mit Ausgangssignalwegen 153 und 154 in Verbindung, die zu E/A-Kontaktstellen führen. Die Ausgänge der Multiplexer 143 und 144 sind nur mit Ausgangssignalwegen 155 und 156 verbunden, die zu E/A-Kontaktstellen führen. Die Sätze von Schaltern 145 und 146 verbinden die direkten B-Ausgänge der Zelle 135 mit den 10 horizontalen und vertikalen Expressleitungen 25, die nicht durch Zwischenverstärker 27 abgeschlossen sind.
Die Sätze von Schaltern 147 und 148 verbinden Eingangssignalwege 169 und 170 von E/A-Kontaktstellen mit denselben 10 horizontalen und vertikalen Expressleitungen 25. Die Eingangssignalwege 169 und 170 stehen ebenfalls mit jeweiligen direkten A-Eingängen A_E und A_S der Zelle 135 in Verbindung.
Die Ausgangssignalwege 151, 153 und 155 auf der rechten Seite verlaufen jeweils zu den untersten zwei Kontaktstellen 130 und 131 in der rechten Zeile von Kontaktstellen und zur am weitesten rechts liegenden Kontaktstelle 139 in der unteren Zeile von Kontaktstellen in 16. Die Ausgangssignalwege 152, 154 und 156 auf der unteren Seite verlaufen jeweils zu den am weitesten rechts liegenden zwei Kontaktstellen 139 und 140 in der unteren Zeile von Kontaktstellen und der untersten Kontaktstelle 131 in der rechten Zeile von Kontaktstellen in 16. Somit ist jeder der Ausgangssignalwege 151-156 selektiv mit irgendeiner von drei verschiedenen Kontaktstellen von den vier verfügbaren Kontaktstellenverbindungen verbindbar. Die Signalwege 155 und 156 können auch verwendet werden, um ein Dreizustands-Freigabesignal zu einem Ausgangspuffer zwischen den Wegen 151-154 und den E/A-Kontaktstellen zu liefern. Die Eingangssignalwege 169 und 170 sind ebenso mit den E/A-Kontaktstellen verbindbar. Leitende Leitungen 161, 163 und 165 stehen mit jeweiligen Kontaktstellen 130, 131 und 139 in Verbindung, während leitende Leitungen 162, 164 und 166 mit jeweiligen Kontaktstellen 131, 139 und 140 in Verbindung stehen, die in 16 zu sehen sind. Die Eingangsauswahlmultiplexer 167 und 168 verbinden jeweils eine ausgewählte leitende Leitung 161-166 mit den Eingangssignalwegen 169 und 170.
Mit Bezug auf 18 und 19 kann die Anzahl von E/A-Kontaktstellen von einer Kontaktstelle 17 pro Umfangslogikzelle 11 in 16 auf drei Kontaktstellen 17' pro Paar von Umfangslogikzellen 12, die hier gezeigt sind, oder auch auf nicht weniger als zwei Kontaktstellen pro Umfangslogikzelle, falls erwünscht, erhöht werden. In 18 können die E/A-Kontaktstehlen 180, 181, 183, 184 usw. direkt gegenüber einer der Nicht-Ecken-Umfangslogikzellen 187-190 mit drei Umfangslogikzellen und mit ihren zugehörigen Busleitungen wie in 16 verbunden werden. Die E/A-Kontaktstelle 181 ist beispielsweise mit den Umfangslogikzellen 187-189 und den zugehörigen Busleitungen verbindbar, wie nachstehend mit Bezug auf 19 zu sehen ist. Zusätzliche E/A-Kontaktstellen 182, 185 usw., die nicht direkt gegenüber einer Umfangslogikzelle liegen, sondern gegenüber den Zwischenräumen zwischen den Logikzellen 188 und 189 bzw. den Logikzellen 190 und 191 angeordnet sind, sind mit den zwei nächsten Umfangslogikzellen über die diesen zugeordneten Busleitungen indirekt verbindbar, wie in 19 zu sehen ist. Ebenso ist jede Nicht-Ecken-Umfangslogikzelle 187-190 usw. mit vier E/A-Kontaktstellen verbindbar. Die Zelle 188 ist beispielsweise mit den E/A-Kontaktstellen 180-183 verbindbar. Die Eckenzellen 191 usw. stehen mit sechs E/A-Kontaktstellen 184-186 und 192-194 in Verbindung, drei von jeder Zeile von Kontaktstellen.
Wie in 19 zu sehen ist, ist die E/A-Kontaktstelle 181 mit einem Eingangspuffer 201 verbunden, dessen Ausgang 202 sich in drei Eingangsleitungen 203-205 aufteilt, die zu direkten Zelleneingängen 206-208 der Logikzellen 187-189 führen. Der Ausgang 202 des Puffers ist auch über programmierbare Schalter 209 mit bidirektionalen Signalleitungen 210-212 verbindbar, die zu Zwischenverstärker-Schalteinheiten 27 an den Enden von horizontalen Busleitungen 21, die jeder von drei Zeilen von Logikzellen zugeordnet sind, welche die Zellen 187-189 enthalten, führen. Der E/A-Kontaktstelle 181 ist ein Ausgangsmultiplexer 213 zugeordnet. Dieser Multiplexer 213 ist mit den bidirektionalen Signalleitungen 210-212 von den drei Zeilen von horizontalen Busleitungen 21 verbunden, die den Logikzellen 187-189 zugeordnet sind, und ist auch mit Zellenausgangsleitungen 214-216 verbunden, die von den direkten Zellenausgängen 217-219 der Logikzellen 187-189 kommen. Jede dieser Signalleitungen 210-212 und 217-219 steht mit den Eingängen des Multiplexers 213 in Verbindung, der höchstens einen von ihnen zur Übertragung über einen Ausgangspuffer 220 zur E/A-Kontaktstelle 181 auswählt. Die E/A-Kontaktstellen 180 und 183 direkt gegenüber den Zellen 187 und 189 sind in einer Weise identisch zur E/A-Kontaktsteile 181 verbunden.
Eine zusätzliche E/A-Kontaktstelle 182 befindet sich zwischen den E/A-Kontaktstellen 181 und 183. Während die E/A-Kontaktstellen 181 und 183 direkt gegenüber den Umfangslogikzellen 188 und 189 angeordnet sind, ist die Kontaktstelle 182 nicht gegenüber irgendeiner Logikzelle angeordnet, sondern ist vielmehr gegenüber dem Zwischenraum zwischen den Zeilen, der den Zellen 188 und 189 zugeordnet ist und die horizontalen Busleitungen 21, die der Zelle 189 zugeordnet sind, enthält, angeordnet. Die E/A-Kontaktstelle 182 ist mit einem Eingangspuffer 221 verbunden, dessen Ausgang über programmierbare Schalter 222 mit bidirektionalen Signalleitungen 223 und 224 verbindbar ist. Diese Signalleitungen 223 und 224 koppeln auch über einen Ausgangsmultiplexer 225 mit einem Ausgangspuffer 226, der mit der E/A-Kontaktstelle 182 verbunden ist. Die bidirektionalen Signalleitungen 223 und 224 sind mit den Signalleitungen 210 verbunden, die zu und von den End-Zwischenverstärker-Schalteinheiten 27 für die horizontalen Busleitungen 21, die den Zellen 188 und 189 zugeordnet sind, führen.
Mit Bezug auf 20 und 21 ist noch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Eingangs/Ausgangs-Schnittstelle für FPGAs der vorliegenden Erfindung für zwei der E/A-Kontaktstellen 230 und 231 gezeigt. Für eine leichte Betrachtung der Vielzahl von Signalwegen zeigt 20 nur die Wege, die einer E/A-Kontaktstelle 231 zugeordnet sind, welche unmittelbar gegenüber einer Logikzelle 228 angeordnet ist. Dieses Schema wiederholt sich für jede Zelle 227, 228, 229 usw. um den Umfang der Matrix von Zellen in dem FPGA-Bauelement. Ebenso zeigt 21 nur die Wege, die einer E/A-Kontaktstelle 230 zugeordnet sind, die gegenüber einer Position zwischen zwei Logikzellen 227 und 228 angeordnet ist. Dieses Schema wiederholt sich auch um den Umfang des FPGA, obwohl gewöhnlich diese zweiten E/A-Kontaktstellen 230 nur an jeder zweiten verfügbaren Position zwischen den Zellen zu finden sind. Beide Arten von E/A-Kontaktstellen, jene direkt gegenüber Logikzellen und jene gegenüber zwischen den Zellenpositionen, sind normalerweise zusammen in einem FPGA zu finden, wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel der E/A-Schnittstelle in 19 zu sehen.
Wie in 20 und 21 zu sehen, weisen die E/A-Kontaktstellen 231 und 230 Pull-up-Transistoren 232 und 252 auf, deren Gates durch ein vom Anwender konfigurierbares Bit (PULL-UP) gesteuert werden. Die Hauptfunktion dieser Transistoren 232 und 252 besteht darin, eine logische "1" zu unbenutzten Kontaktstellen zu liefern. Wenn er durchgesteuert ist, ist ein Transistor 232 oder 252 ungefähr äquivalent zu einem Widerstand von 10 K zu V_cc. Jede Kontaktstelle 231 und 230 weist einen mit dieser verbundenen Eingangspuffer 234 bzw. 254 auf und weist auch einen ebenfalls mit dieser verbundenen Ausgangspuffer 233 bzw. 253 auf. Die Eingangspuffer 234 und 254 weisen einen auswählbaren Schwellenpegel, entweder TTL oder CMOS, auf, der durch ein vom Anwender konfigurierbares Bit (TTL/CMOS) festgelegt wird. Die Ausgangspuffer 233 und 253 weisen auswählbare Ansteuerpegel auf, die durch ein weiteres vom Anwender konfigurierbares Bit (HALBE/VOLLE ANSTEUERUNG) gesteuert werden. Die Ansteuerpegel unterscheiden sich in ihren Gleichstromentnahmefähigkeiten. Alternativ könnten die Puffer eine steuerbare, schnelle oder langsame Ausgangsspannungsänderungsgeschwindigkeit bei derselben vollen Gleichstromentnahmefähigkeit aufweisen. Halbe Ansteuerung oder eine langsame Ausgangsspannungsänderungsgeschwindigkeit, von denen beide Rauschen und Erdungsprellen verringern, wird für Ausgangssignale, die hinsichtlich der Geschwindigkeit nicht kritisch sind, empfohlen. Ein Konfigurationsbit eines "OFFENEN KOLLEKTORS" aktiviert oder deaktiviert selektiv das aktive Hochsetzen des Ausgangspuffers 233 oder 253. Das Freigabesignal (TRI-STATE) für die Dreizustands-Ausgangspuffer 233 und 253 wird durch Multiplexer 235 und 255 von einer Anzahl von Optionen ausgewählt. Die Optionen umfassen typischerweise feste Logikpegel "0" und "1", wobei der Puffer entweder immer ansteuert oder nie ansteuert, und eine Anzahl von dynamischen Signalen, die in der Matrix erzeugt werden. Die primären E/A-Kontaktstellen 231 direkt gegenüber einer Umfangslogikzelle 228 weisen drei dynamische Signalauswahlmöglichkeiten (ZELLE 1, ZELLE 2, ZELLE 3) auf, die den drei verfügbaren Ausgangszellen 227, 228 und 229 zugeordnet sind, während die sekundären E/A-Kontaktstellen 230, die sich in einer Position zwischen Zellen befinden, zwei dynamische Signalauswahlmöglichkeiten (ZELLE 1, ZELLE 2) aufweisen, die ihren zwei verfügbaren Ausgangszellen 227 und 228 zugeordnet sind. Die dynamischen Signale können innerhalb der jeweiligen Zellen selbst erzeugt werden oder können durch die Busleitungen 247, 248 oder 249, die diesen Zellen zugeordnet sind, geliefert werden.
Mit Bezug nun nur auf 20 steht die E/A-Kontaktstelle 231 über einen Ausgangsauswahlmultiplexer 237 und den Ausgangspuffer 233 mit Busleitungen 247, 248 und 249, die drei benachbarten Umfangslogikzellen 227, 228 und 229 (als ZELLE 1, ZELLE 2 bzw. ZELLE 3 bezeichnet) zugeordnet sind, durch Leitungen 241-244 in Verbindung. Man beachte, dass zwei Signaloptionen von den Busleitungen 248 erhältlich sind, die der Zelle 228 unmittelbar gegenüber der Kontaktstelle 231 zugeordnet ist, während nur eine Signaloption von den benachbarten Busleitungen 247 und 249 erhältlich ist. Der Ausgangsauswahlmultiplexer 237 empfängt auch ein direktes Zellenausgangssignal 245 von der Logikzelle 228. Die E/A-Kontaktstelle 231 ist über den Eingangspuffer 234 mit einem direkten Zelleneingang 250 in die Logikzelle 228 verbunden und ist auch über vom Anwender konfigurierbare Schalter 251 mit demselben Satz von Leitungen 241-244 verbunden, die zu den Busleitungen 247-249 führen.
Mit Bezug auf 21 steht die Kontaktstelle 230, die gegenüber der Position zwischen den Zellen 227 und 228 angeordnet ist, über einen Ausgangsauswahlmultiplexer 257 und einen Ausgangspuffer 253 mit Busleitungen 247 und 248, die den Zellen 227 und 228 zugeordnet sind, durch Leitungen 261 und 262 in Verbindung. Der Multiplexer 257 empfängt auch direkte diagonale Zellenausgangssignale 263 und 264 von den Zellen 227 und 228. Die E/A-Kontaktstelle 230 ist über den Eingangspuffer 254 mit direkten diagonalen Zelleneingängen 265 und 266 von Zellen 227 und 228 verbunden und ist auch über vom Anwender konfigurierbare Schalter 267 mit den Leitungen 261 und 262 verbunden, die zu den Bussen 247 und 248 führen.
Andere E/A-Schnittstellenkonfigurationen für das FPGA-Bauelement als die in 16-21 gezeigten sind möglich.

Claims

Anwenderprogrammierbares Verknüpfungsfeld (FPGA) mit: einer Matrix aus Zeilen und Spalten von programmierbaren Logikzellen (11), die miteinander und mit Eingangs- und Ausgangsanschlüssen der Schaltung verbindbar sind, wobei jede Logikzelle (11) mindestens ein synchrones Element darin enthält, das auf ein Taktsignal reagiert, und einem Satz von Taktleitungen mit mindestens einer Haupttaktleitung (CK₀–CK₇), die ein Taktsignal empfängt, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Spaltentaktleitungen (92), die mit der mindestens einen Haupttaktleitung (CK₀–CK₇) verbindbar sind und jeweils einer speziellen Spalte von Logikzellen (11) zugeordnet sind, und für jede Spaltentaktleitung (92) mit einer Vielzahl von Sektortaktleitungen (110), die mit dieser Spaltentaktleitung (92) verbindbar sind, wobei jede Sektortaktleitung (110) mit einer Teilmenge (14) einer Spalte von Logikzellen (11) verbunden ist und ein Taktsignal zu dieser liefert.
FPGA nach Anspruch1, welches ferner ein Mittel (107) zum selektiven Invertieren des Taktsignals, das zu der Teilmenge (17) einer Spalte von Logikzellen (11) geliefert wird, welche entlang jeder Sektortaktleitung (110) angeordnet sind, umfasst.
FPGA nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Satz von Taktleitungen mehrere Haupttaktleitungen (CK₀–CK₇) umfasst, die voneinander verschiedene Taktsignale liefern.