JP3474878B2 - プログラマブル論理セル - Google Patents

プログラマブル論理セル

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JP3474878B2
JP3474878B2 JP2002307945A JP2002307945A JP3474878B2 JP 3474878 B2 JP3474878 B2 JP 3474878B2 JP 2002307945 A JP2002307945 A JP 2002307945A JP 2002307945 A JP2002307945 A JP 2002307945A JP 3474878 B2 JP3474878 B2 JP 3474878B2
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    • H03K19/17724Structural details of logic blocks
    • H03K19/17728Reconfigurable logic blocks, e.g. lookup tables

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】1.関連する特許並びに出願書類の相互参照 本出願は、1990年11月2日に出願された米国特許出願第7
/608,415号の部分継続出願であり、この07/608,415号
は以下本明細書に参考として取り入れられている。“プ
ログラマブル論理セル及びアレイ”として出願された米
国特許第5,019,736号が、関連特許として以下
本明細書に取り入れられている。本出願は又、発明者ア
トゥルーリ(Atluri)、カマロタ(Camarota)、チェン(Che
n)、ファーテク(Furtek)・ガーベリック(Garverick)、
ホーリィ(Hawley)、モニ(Moni)、ピケット(Pickett)、
ポプリ(Popli)、スミス(Smith)、サザーランド(Sutherl
and)及びティン(Ting)によって同時出願された“コンフ
ィギュレーション可能論理アレイ”という特許とも関連
する。 2.発明の分野 本発明は、ディジタル論理回路の分野、さらに具体的に
は、プログラマブル論理素子及び再プログラマブル論理
素子に関する。
【0002】3.発明の背景 出願特許第415号にプログラマブル論理セルのアレイ
が記載されているが、この中での各論理セルは構造的に
同一である。このアレイの論理セルは二次元マトリック
スで配列されており、各セルは4つの最隣接セルを有
し、1つはセルの左側(すなわち西側)、1つはセルの
右側(すなわち東側)、1つはセルの上側(すなわち北
側)、及び1つはセルの下側(すなわち南側)に最隣接
セルが位置している。4つの方向(北、南、東、西)の
各々に対して、セルは2つの入力部と、2つの出力部を
持ち、これらの入出力部は、その各方向にある最隣接セ
ルの2つの出力部と2つの入力部に接続されている。従
って、信号の流れは、2つの次元の両方同に可能とな
る。
【0003】出願特許第415号の図1には、セル22
及びバスネットワーク12を含むプログラマブル論理ア
レイ10が描かれている。セル22は、行と列の二次元
マトリックスに配列され、図1には図示されていない接
続部によってバスネットワーク12により相互に接続し
ている。これらのセルは又、一つのセルとそのセルの4
つの最隣接セル(すなわち、東西南北に直に隣接してい
る4つのセル)間で直接に接続している二次元配列によ
って相互に接続している。バスネットワーク12には、
中継器24と、垂直及び水平バス25,26,27が含
まれ、論理配線の役を果たすように個々のセル22に要
求することなく、アレイ10内でデータ転送がバスネッ
トワークによって提供される。暗黙裡に存在してはいる
が、本発明には無関係なため、バス構造についての議論
は以下省略する。
【0004】本発明の1つの目的は、非常に大きな柔軟
性を持ちながら、しかも相対的に適度なサイズの改良論
理セルを提供することである。
【0005】本発明のもう一つの目的は、出願特許第4
15号のアレイに類似していながら、改良された論理セ
ルを含む改良アレイを供給することである。
【0006】出願特許第415号のアレイにおいては、
そのアレイが所与のセルによって実現される論理関数に
依存するために、そのセルがその未便用の入出力部の間
でも“論理配線”を実現する能力は、往々にして制限さ
れることがある。これがために出願特許第415号のア
レイのセルが非能率的に利用される結果となる場合があ
る。というのは、単に論理配線機能を実現するためにあ
る種のセルを必要とすることがあるからである。
【0007】また、本発明のいま一つの目的は、改良セ
ルを含む改良アレイを供給す`ることであり、この改良
セルにおいては、セルの未使用の入出力部間の論理的な
接続がブロックされることはない。
【0008】4.発明の要約 本発明は、出願特許第415号のような論理セル・アレ
イで用いるための改良型論理セルを提供するものであ
る。本発明の改良型論理セルの推奨実施例には、2つの
レベルの組合せ論理及びこの2つのレベルの組合せ論理
の下流に配置されたレジスタが含まれる。VLSIの面
積という点から見ると、出願特許第415号のアレイで
用いられたのに比べて本発明の改良型セルのほうが著し
く面積が小さいにもかかわらず、設計の改良により、ア
レイにおいて著しく濃縮された論理の実現が促進されて
いる。たとえば、出願特許第415号の論理セルを用い
れば6つのセルを必要とするようなマルチプレクサを実
現するのに、本発明ではたった1つのセルしか必要とし
ない。ロード可能シフト・レジスタ、カウンタ及びその
他のものを含む他の機能ブロックに対しても類似の節減
を達成することができる。さらに、アレイ上で実現され
る論理のスピードは、アレイ中のセル間の接続に関連す
る遅延によって大きく決定されるので、単一セル内で必
要な論理接続の非常に大きなフラクションを実現する本
発明のアレイは、出願特許第415号に記載されたもの
より高い性能を達成することができる。
【0009】本発明は又、改良型論理セルを中に含む改
良型アレイを供給するものであって、このアレイにおい
ては、セル内に配置された多重手段によって、セルの未
使用の入出力部を論理上接続することができる。たとえ
ば、各セルが4つの入力部及び4つの出力部を持つこの
ようなアレイを備えていると、単一セルを、2つの入力
と2つの出力を用いる半加算器としても、また、経路選
択素子としても用いることができ、未使用の2つの入力
部と出力部の間を接続することもできよう。
【0010】本発明の以上の及びその他の目的、特徴、
及び利点をよりよく理解するために、次の添付図面を参
照しながら以下の詳細な説明を読まれるのがよい。
【0011】
【発明の好適な実施の形態の説明】図1は、出願特許第
415号に記載されたアレイのような、セル1のアレイ
の典型的部分の直接相互接続を描いたものである。図で
明らかなように、これらのセルは、4つの最隣接セルを
持っ各セルの二次元マトリックスで配列されており、セ
ルの左側(すなわち西側)に1つ、セルの右側(すなわ
ち東側)に1つ、セルの上側(すなわち北側)に1つ、
及びセルの下側(すなわち南)に1つそれぞれ隣接セル
が位置している。各セル1は、その4つの最隣接セルへ
の直接接続に関しては同一である。このような隣接の各
セルに対して、セルは2つの出力部を設け、また、この
ような隣接の各セルから、セルは2つの入力部を受け
る。従って、各セル1は8つの入力部2a,2b,3
a,3b,4a,4b,5a,5b、及び、8つの出力
部6a,6b,7a,7b,8a,8b,9b,9bを
持つ。セルの入力部及び出力部は2つのカテゴリー
“A”と“B”に分割されているため、各セルは4つの
最隣接セルのそれぞれに接続されたA入力部、A出力
部、B入力部及びB出力部を持つ。隣接セル間で、A入
力部は常にA出力部に接続され、B入力部は常にB出力
部に接続される。
【0012】図1の実施例のようなアレイで用いるのに
適した、本発明の8−入力部・8−出力部セルのいくつ
かの実施例を、図11〜14に示す。本発明は、異なる
数の入出力部を持っセルを用いて実行することもでき
る。図19の実施例のようなアレイで用いるのに適し
た、4−入力都・4−出力部セルの2つの実行司能な実
施例を、図20及び21に示す。図11〜14、及び、
図20,21に示されるこれら6つの実施例はそれぞ
れ、同一の基本構造すなわちセルコアを有しており、そ
の推奨実施例を図2の論理図に示す。図示のように、こ
のセルコアは、2つの論理レベル、すなわち、2つの組
合わせゲート(例としてANDゲート21及び23)を
含む第1レベルと、2つの組合わせゲート(例として排
他的OR(XOR)ゲート28及びANDゲート41)
を含む第2レベル、及び、第1レペルの論理への入力部
を与える構成可能な相互接続素子25、XORゲート2
8の下流側レジスタ33、コンフィギュレーション制御
部48を持っている。
【0013】セルコアは、第1、第2、及び第3の論理
入力部20,22,24を有する。入力部20、22、
及び、24のソースは、最隣接セル、バスネットワーク
(出願特許第415号や、前記関連特許“コンフィギュ
レーション可能論理アレイ”に示されているバスネット
ワークのような)、他のなんらかのソース、あるいは、
これらの組合せから発するものであってもよい。
【0014】このセルコアにおいて、第1論理入力20
は上流側のANDゲート21に入り、第2論理入力22
は上流側のANDゲート23に入る。入力24は、第1
出力26及び第2出力27を発生させる構成可能な相互
接続素子25へ印加される。構成可能な相互接続素子2
5は、コンフィギュレーション制御部48が与える値に
よって制御される、少なくとも2つのコンフィギュレー
ション状態を持っている。
【0015】セルあるいはアレイのいずれかと関連した
制御記憶メモリ装置、他のセルのコンフィギュレーショ
ン制御の組合せ機能、あるいは、電子的に融合同能な、
電気的、光学的、あるいは磁気的にプログラム可能な回
路素子を含むがこれらに制限されない、様々な手段によ
ってコンブィチュレーション制御48を行なうことがで
きる。一般的なものとして、コンフィギュレーション制
御線48のみを論理セルの図面に示す。
【0016】図4(A)に、構成可能な相互接続素子2
5の典型的実現例25aを示す。構成可能な相互接続素
子25aには、パスゲート206と207、及び、NA
NDゲート202と203が含まれている。構成可能な
相互接続素子25aは、コンフィギュレーション制御入
力208と209、及び、環境入力210の3つの入力
値によって構成される。コンフィギュレーション制御入
力208と2C19は、前に説明したコンフィギュレー
ション制御部48から生じる。環境入力210は様々な
コンフィギュレーション制御信号の組合せ機能として、
セル及び隣接セルから生じる。
【0017】環境信号210とコンフィギュレーション
制御信号209は、NANDゲート202によって組合
わされ信号204を生成する。信号204は、パスゲー
ト206と207を制御する。パスゲート206と20
7は使用可能極性が反対なので、常にこれらのパスゲー
トの内の1つだけがアクティブである。パスゲート20
7がアクティブである場合、構成可能な相互接続素子の
入力部24が、構成可能な相互接続素子の出力部26及
びNANDゲート203の入力部を駆動させる。構成可
能な相互接続素子の出力部27は、NANDゲート20
3によって生成され、これはコンフィギュレーション制
御信号208によってゲート制御される。パスゲート2
06がアクティブである場合は、論理“1”は、出力部
26に向けられ、NANDゲート203を介して出力部
27ヘゲート制御される。
【0018】構成可能な典型的な相互接続素子25aの
4つの状態を、50a〜50dとして示す。図4(B)
に例示された状態50aにおいて、構成可能な相互接続
素子の入力部24は、構成可能な第1相互接続素子の出
力部26に論理上接続され、論理上反転した形で、構成
可能な第2相互接続素子の出力部27に接続される。こ
れらの出力は、パスゲート207がアクティブで、か
つ、NANDゲート203への制御入力部に高信号が送
られた場合に行なわれる。図4(C)に例示された状態
50bでは、構成可能な相互接続素子25は、構成可能
な相互接続素子の入力部24の値にかかわらず、単に、
構成可能な相互接続素子の出力部26と27の両方に定
数論理値(“1”)を与える。これらの出力は、パスゲ
ート206がアクティブで、かつ、NANDゲート20
3への制御入力部208に低信号が送られた場合に行な
われる。状態50cでは、図4(D)に示されるよう
に、パスゲート207をアクティブにすることによって
入力部24は出力部26へ接続され、NANDゲート2
03の制御入力部208に低信号を印加することによっ
て“1”の信号が出力部27に与えられる。図4(E)
に示すような状態50dでは、パスゲート206がアク
ティブの場合、出力部26に“1”の信号が供給され、
NANDゲート203の制御入力部208にも高信号が
与えられる場合、出力部27に“0”の信号が与えられ
る。構成可能な相互接続素子25を構築するには多くの
方法があるが、その中にはこの他の有用な状態を持つも
のもある。
【0019】図2を再び参照すると、構成可能な相互接
続素子25が状態50bのように構成された場合、その
効果によって、上流側のANDゲート21と23が、そ
れぞれ、第1論理入力部20と出力部29、及び、第2
論理入力部22と出力部30の聞のパススルーの役割を
果たすこととなるのは、明白である。同様に図2におい
て、下流側のEXCLUSIVE−OR(XOR)ゲー
ト28の入力部31と32は、上流側のANDゲート2
1と23の出力部29と30にそれぞれ接続される。レ
ジスタ33は、入力部34を下流側のXORゲート28
の出力部35に接続して下流側に配置される。効果的に
するには、セルコアにマルチプレクサ36も設けて使用
可能な2つの入力部37と38のどちらかを選択するよ
うにしてもよい。この2つの入力部のうち入力部37は
レジスタ33のQ出力部39に接続され、入力部38は
下流側のXORゲート28の出力部35に接続さぺる。
セルコアの第1論理出力40は、マルチプレクサ36に
よって、隣接セル、バスネットワーク、アレイ入出力
部、あるいは、他の宛先、又は、これらのいくつかの組
合せに向けて行なわれる。
【0020】このセルコアにはまた下流側のANDゲー
ト41が含まれている。下流側のXORゲート28のよ
うに、下流側のANDゲート41の2つの入力部42と
43は、上流側のANDゲート21と23の出力部29
と30から出ている。下流側のANDゲート41の出力
44は、セルコアの第2論理出力部45へ向けて行わ
れ、第1論理出力40のように、この出力部45は、隣
接セル、バスネットワーク、アレイ入出力部、他の宛
先、あるいは、これらのある組合せへ接続してもよい。
【0021】このセルコアの設計は、注意深く簡素化さ
れ、可能な限り小型でかつ単純なものになってきている
が、それでもなお、論理的柔軟性を含み、広範囲な多様
性を持つ重要な機能が効率よく実現できるている。機能
的には類似のセルが従来技術のなかに存在しているが、
このようなセルでは一般に、大規模なプログラマブルA
ND−ORアレイ素子、あるいは、類似のPLD装置が
採用され、本セルコアの4組のゲート21,23,28
及び41によって行なわれる機能が実現される。セル中
にこのようなプログラマブルAND−OR論理素子を含
むことには、2つの大きな欠点がある。第一に、セルを
実現するために必要とするチップ面積をかなり広げなけ
ればならず、従って、シングルチップ上に配置できるセ
ルの数が少なくなる。第二に、プログラマブルAND−
ORアレイ素子は、その内部の節点のキャパシタンスが
大きいために、セルの性能が著しく減少してしまう。以
下に例示するように、大きさや速度においてこのような
犠牲を払うことなく、本発明のセルコアによって必要な
柔軟性が実現される。
【0022】図3には、図2のセルコアに論理的に同等
なもう一つのセルコア設計が描かれている。このセルコ
アと図2のセルコアとの相違は、上流側のANDゲート
21と23がNANDゲート50と51に置き換えら
れ、下流側のANDゲート41がNORゲート52に置
き換えられている点である。これらの変更によるセルコ
アの論理関数への影響はない。下流側のXORゲート2
8へ接続する入力部31と32の信号が図3では反転す
る(図2の入力部31と32の信号に関して)という事
実が、XORゲート28の出力部35に影響を及ぼすこ
とはない。また、上流側のNANDゲート50と51の
出力部53と54から下流側のNORゲート52の入力
部55と56へ、反転“バブル”を伝えることによっ
て、NORゲート52とANDゲート41の論理同値が
明白になる。実際、図3に示される構造は現実の集積回
路の実現により酷似している。しかしながら、図2のセ
ルコアの論理機能の方がより直覚的であるため、図11
〜14及び図20〜21に例示した論理セルの実施例は
図2のセルコアから派生したものである。
【0023】図5には、マルチプレクサ60として、図
2のセルコアを構成したものが例示されている。この機
能は、出願特許第415号で提供されるセルに優る、本
発明のセルコアの重要な利点を表わすものである。なぜ
なら、出願特許第415号では、このようなマルチプレ
クには6つのセルを必要とするからである。図5に描か
れているマルチプレクサ構成60において、構成可能な
相互接続素子は状態50aに構成され、マルチプレクサ
36は構成されて、XORゲート28ら出力部35を選
択する。構成可能な相互接続素子への入力24が論理
“1”である場合、上流側の第1ANDゲート21を送
り込む第1論理入力20は、XORゲートの出力部35
に向けて与えられる。構成可能な相互接続素子の入力2
4が論理“0”である場合、上流側の第2ANDゲート
23の第2論理入力22は、XORゲートの出力35に
向けて与えられる。
【0024】従来の技術であれば、上流側のANDゲー
トの出力を組合せるこのようなマルチプレクサにおいて
下流側で便用される組合わせ素子は、ORゲートであろ
う。この代りに、本発明のセルコアではXORゲート2
8が用いられる。図5のでXORゲートを用いることも
可能である。というのは、双方の入力が論理“1”でな
い限りORとXORゲートは同一の機能を果たすからで
あり、また、子25が状態50aにある場合、構成可能
な相互接続素子25のために双方の力が論理“1”とな
ることはあり得ないからである。この位置でXORゲー
ト28を用いる利点は、加算器やカウンタのような多く
の重要な演算回路を実現す際、これが役立つということ
もある。
【0025】図6には、並列ロード可能なシフト・レジ
スタ65の1ビット・スライスして機能するように構成
された、図2のセルコアが描かれている。前出のマルプ
レクサ構成60のように、図6の構成可能な相互接続素
子25は状態50aに構成されているが、今度はマルチ
プレクサ36は構成されて、入力37、すなち、レジス
タ33のQ出力39を選択する。従って、図6は、レジ
スタ33がまれていることを除げば図5と同一であり、
図5のマルチプレクサ60は図6破線によって示される
部分と同一である。
【0026】並列ロード可能なシフト・レジスタ構成の
オペレーションは、ロード信号しての入力部24上の信
号を用いて、前に説明したマルチプレクサ構成60のオ
ペレーションに基くものである。構成可能な相互接続素
子25に入る入力部24の信号が論理“1”である場
合、マルチプレクサ構成60によって、並列データ20
がレジスタ33のD入力部34へ送られる。入力部24
の信号が論理“0”である場合、マルチプレクサ構成6
0によって、前出のスライスからレジタ33のD入力部
34へ直列データが送られる。
【0027】図7に、2進カウンタ70の1−ビット・
スライス用論理を実現するため構成された、図2のセル
コアを示す。カウンタスライスを実現するためには、構
成可能な相互接続素子25が状態50bに構成されて上
流側のANDゲート21と23が論理配線としての役割
をし、かつ、マルチプレクサ36が構成されて、ジスタ
33のQ出力部39が選択される。2進カウンタ機能を
完全に実現するめには、レジスタ33のQ出力39は第
1論理入力20ヘフィードバックされなければならな
い。このフィードバック接続を実現するのに、隣接セ
ル、あるいは、図20と21のセル実施例に示されるフ
ィードバック手段110のような他のフィードバック手
段を用いてもよい。
【0028】図8に、クロックイネーブルを持つレジス
タ80を実現するために構成された、図2のセルコアを
示す。このレジスタ構成では、マルチプレクサ構成60
が用いられ、レジスタ33に対して適切な入力部34が
選択される。構成可能な相互接続素子25は状態50a
に構成され、マルチプレクサ36は構成されて、レジス
タ33のQ出力部39が選択される。この例では、入力
部24上の信号はクロックイネーブルとして機能する。
構成可能な相互接続素子25に入る入力部24上のクロ
ックイネーブル信号が論理“1”である場合、レジスタ
33はその入力部34でマルチプレクサ構成60を通し
て新しいデータ20を受信する。人力部24上のクロッ
クイネーブル信号が論理“0”である場合、レジスタ3
3はそのカレント状態39で再ロードされ、これが、隣
接セル、あるいは、図20と21に呈示されているよう
な内部フィードバック手段110によって上流へ戻さ
れ、マルチプレクサ構成60によってレジスタ33の入
力部34へ戻る。
【0029】図9(A)〜9(D)に、本発明において
有用なデフォルト出力部を持つプログラマブルパスゲー
トを例示する。デフォルト“1”出力を持つプログラマ
ブルパスゲートを回路70aとして図9(A)に、ま
た、これに等しい論理記号70bを図9(B)に示す。
パスゲート70aは端子71で入力を受信し、端子72
で出力を生成する。パスゲート70aは、また、論理上
反転した2つの信号28aと28bをコンフィギュレー
ション制御部から受信する。信号28aが高位(従って
28bは低位)である“パス”状態において、端子71
の入力部の値は、パスゲート70aによって端子72の
出力部へ渡される。信号28aが低位である“デフォル
ト”状態において、パスゲート70aは、節点71aに
接続されたデフォルト“1”を出力端子72へ送る。図
9(B)に示される論理記号70bにおいては、反転し
たコンフィギュレーション制御信号28aと28bは、
単一コンフィギュレーション制御信号28aで表わされ
ている。
【0030】類似のプログラマブルパスゲートを、図9
(C)の回路73aとして示す。パスゲート73aは、
しかしながら、デフォルト“0”出力を持っている。コ
ンフィギュレーション信号28dが高位(かつ、28c
は低位)である“パス”状態において、パスゲート73
aは、端子74の入力値を端子75の出力部へ渡す。信
号28dが低位である“デフォルト”状態において、パ
スゲート73aは節点74aに接続されたデフォルト
“0”を端子75へ送る。
【0031】デフォルト“0”出力73bを持つプログ
ラマブルパスゲートを表わす論理記号を、図9(D)に
示す。このプログラマブルパスゲート論理記号70bと
73bは、図11〜14及び図20〜21の論理セルの
図で用いる。
【0032】デフォルト“1”と“0”出力を持つプロ
グラマブルパスゲート70aと73aを実現するために
用いられたのと同一の基本的な考え方を拡張し、図10
(A)と10(C)に例示されるような、デフォルト
“1”とデフォルト“0”を持つ一般(N+1)入力マ
ルチプレクサ回路61aと62aを実現することができ
る。回路61aは、デフォルト“2”出力を持つ(N+
2)入力プログラマブルマルチプレクサである。これと
同一の論理記号を61bとして図10(B)に示す。マ
ルチプレクサ61aには、(N+1)CMOS送信ゲー
ト68a0−N、及び、一連の(N+1)PMOSトラ
ンジスタ69a0−Nが含まれる。マルチプレクサ61
aは、コンフィギュレーション制御線65a0−N及び
その論理逆値66a0−Nの値に応じて適切な送信ゲー
ト68a0−Nを開くことにより、(N+1)入力64
a0−Nの1つを選択し、出力部63aへ接続する。す
べてのコンフィギュレーション制御線65a0−Nが
“0”にプログラムされ、どの入力部も選択されない
と、マルチプレクサ61aは“デフォルト”値、つまり
入力部67aで与えられる論理“1”を、一連のPMO
Sトランジスタ69a0−Nを介して出力部63aへ差
し向ける。
【0033】デフォルト“0”の出力を持つプログラマ
ブルマルチプレクサ62a及びそれに相当する論理記号
62bを、図10(C)と10(D)に示す。マルチプ
レクサ62aには、(N+1)CMOS送信ゲート68
a0−N及び一連の(N+1)NMOSトランジスタ6
8b0−Nが含まれる。マルチプレクサ62aは、コン
フィギュレーション制御線65a0−N及びそれらの論
理逆値66a0−Nの値に応じて、(N+1)入力部6
4a0−Nの1つを選択し、適切な送信ゲート68a0
−Nを開くことにより、出力部63bに接続する。すべ
てのコンフィギュレーション制御線65a0−Nが
“0”にプログラムされ、どの入力部も選択されない
と、マルチプレクサ62aは“デフォルト”値、つまり
入力部67bで与えられる論理“0”を、一連のNMO
Sトランジスタ68b0−Nを介して出力部63bへ差
し向ける。デフォルト出力マルチブレクサを表わす図1
0(B)と10(D)の論理記号61b及び62bは、
図11〜14と図20〜21に示されるセルの実施例の
論理図の中で使用される。
【0034】この“デフォルト”状態は、構成可能な論
理セルという状況において、特に価値のあるものであ
る。なぜなら、アレイ中のほとんどのセルは、デフォル
ト状態のこのようなマルチプレクサで、典型的には構成
されるからである。61aと62aに示されるデフォル
ト出力マルチブレクサ回路は、チップ面積という点から
みると、類似の従来の回路に比べて小さい。なぜなら、
これらのデフォルト出力マルチプレクサ回路が同じ制御
線を用いて送信ゲートとトランジスタチェーンの両方を
制御しているためである。別の利点としては、所望のデ
フォルト値次第で、トランジスタチェーンには1つのタ
イプのトランジスタ(PまたはN)しか含まれないとい
うことがある。これによって、不適当な閾値電圧の低下
を持ち込むことなく、貴重なチップ面積が節約される。
【0035】図11から図14は、図1に示すような配
列で用いるための本発明による論理素子の様々な実施例
を示すものである。総体的に見れば、これらの実施例
は、図2に例示されたセルコアに存在する着想が組込ま
れた可能なセルの中のほんの数例を表わすものにすぎな
い。
【0036】図11から図14に描かれたセルデサイン
のすべては、アレイ中の東西南北の方向に関して完全な
対称をなしている。別段の指示がなければ、図10から
図14に含まれる構成可能なすべての装置(パスゲート
およびマルチプレクサ)は、独立にプログラムすること
ができる。最終的に、バス出力部は、本発明に無関係で
あるので、図10から図14では省略されている。
【0037】アレイで用いるためのセルを実現するいく
つかの方法によって、図11に描かれた論理セルは図2
のセルコアを増強する。上流ANDゲート21と23に
対する補助入力部80a−dと81a−dは、隣接セル
から4つの“A”入力と4つの“B”入力を収容する。
4通りの“A”出力と4通りの“B”出力は、それぞ
れ、マルチプレクサ36とANDゲート41から出力さ
れる。構成可能な相互接続要素25を形成する2つのプ
ログラマブルパスゲート85aと85b、および反転バ
ブル85cによって構成可能な相互接続要素からの左右
の出力26,27が可能となり、独立に制御される。下
流XORゲートー28の入力31と32を供給する2つ
のプログラマブルパスゲート86aと86b、および下
流ANDゲート41の入力42と43を供給する2つの
プログラマブルパスゲート84aと84bによって、入
力パスゲートの一方が“パス”状態で、他方が“デフォ
ルト”状態で構成されている場合、これらのゲート28
と41の各々は論理配線として作用することが可能にな
る。構成可能な相互接続要素25からの出力プラス入力
80a−dと81a−dの各々につながるプログラマブ
ルパスゲート82a−d,838−dおよび85a−b
によって、上流ANDゲート21と22の各々は、2,
3,4、または5の入力AND機能のいずれかを実行で
きる。さらに、下流ANDゲート41を利用するために
“パス”構成でパスゲート84aと84bを構成するこ
とにより、9個までの入力80a−d,24、および8
1a−dのAND機能が可能である。図11のセルの利
点は、極めて広範な論理和動作とマルチプレクサの使用
を最少に押さえている点にあり、これによって面積が縮
小される。
【0038】図12に示すセルは、前述の図11の素子
を、先に参照した特許第736号および出願特許第41
5号に記載のセルと組み合わせたものである。図12に
示すセルは、2つの、5−入力ANDゲート21と23
を持っており、下流XORゲート28、レジスタ33お
よび、図11のセルから来る下流ANDゲート41を持
っている。さらに、図12のセルには、構成可能な相互
接続要素25を形成する構成可能なパスゲート90aと
90bと反転バブル90cの配置、及び、下流ANDゲ
ート41の出力44に続いてプログラマブルな形で挿入
されるインバータ91が含まれる。構成可能な相互接続
要素25と関連するこの2つのプログラマブルパスゲー
ト90aと90bによって、前述の機能に優る追加機能
が与えられる。構成相互接続要素25が状態50dで構
成されている場合、パスゲート90a法“デフォルト}
状態”で構成され、パスゲート90bは“パス”状態で
構成され、上流ANDゲート23の出力30は、強制的
に論理“0”にされる。このセルの“A”出力部、
“B”出力部の両方で使用できる論理“0”を作り出す
ことに加えて、下流XORゲート28の入力部31にお
けるこの“0”定数によって、XORゲート28は入力
32から出力35まで論理配線に変えられる。これは、
セル当たり1ビット・スライスシフトレジスタの実現に
不可欠である。
【0039】さらに、上流ANDゲート23の出力30
は、“デフォルト状態”にパスゲート83a−dと90
bをプログラムすることによって強制的に論理“1”と
することができる。この場合、下流XORゲート28の
入力部32における論理“1”によって、XORゲート
28は入力31から出力35までインバータに変えられ
るが、これはインバータが入力34を単一セル内のレジ
スタ33へ進めるか、またはそのセルの“A”出力部に
接続するかの、どちらかであることを意味する。
【0040】図12のセルでは、構成可能な出力選択マ
ルチプレクサ92aと92bが追加されている。好適に
は、マルチプレクサ92aと92bは、面積と構成制御
要件を少なくするために横併置型で制御されることが望
ましい。インバータ91に続けるか、続けないか決める
ために下流ANDゲート41を構成する能力は、マルチ
プレクサ92bによって与えられる。これによって柔軟
控が加えられる。出力として“2”入力を選ぶように状
態“2”に設定されたマルチプレクサ92aと92bで
は、インバータ91ぽ信号パスにおかれ、XOR関数は
セルの“A”側40に供給され、NAND関数はセルの
“B”側45に供給される。NAND関数は単独では汎
用論理関数であるが、XOR関数と組合わされたとき、
4つのセルしか用いられない全加算器の実現を可能にす
るものである。出力として“3”入力を選ぶように状態
“3”で構成されたマルチプレクサ92aと92bで
は、そのセルを有効に用いて2つのセルしか用いない2
進カウンタの1ステージを実現することができる。図1
2に例示されたこのセルの利点は、極めて広範な論理和
動作を行なうことができることと、NAND関数を使用
できることである。
【0041】図13に示すセルで、ANDゲート21と
23と以前に関連していた8つの構成可能なパスゲート
は、マルチプレクサ94a−bと95a−bに置き換え
られており、その各々はその出力部でデフォルトの論理
“1”を作り出すように構成してもよい。この変更によ
って、上流ANDゲート21と23に対するファン・イ
ンが減少し、それによって、それらのゲートの速度が高
められる。これが、図12と図13に示すセルの間の唯
一の相違である。図13に示すセルの利点は、適度な広
さの論理和動作を行なう能力があることと、上流AND
ゲートに対するファン・インの減少によって、図12の
セルのものより優れた性能を持っていることである。
【0042】本発明による論理セルの推奨実施例を図1
4に示す。図14のセルではマルチプレクサ96a−b
は、上流ANDゲート21と23の入力部に対して供給
すべき最隣接出力の1つを選ぶように、各々プログラム
可能である。前のセルのマルチプレクサ94a−bと9
5a−bと同様、マルチプレクサ96a−bも論理
“1”出力を供給するようにプログラムしてもよい。上
流ANDゲート21と23に入る多重化入力数の減少
が、図13の推奨実施例のセルとの間の唯一の相違であ
る。図14に示す推奨実施例の利点は、設計からファン
・インANDゲート21と23を減らすことによって得
られる高性能である。
【0043】推奨実施例のセルの51通りの構成状態を
図15(A)から図18(YY)に示す。図15(A)
から図18(YY)に示す状態のセットには、入力マル
チプレクサ96aと96bの各々に可能な構成のための
別個の状態は含まれておらず、また、バス状態も含まれ
ていない。図15(A)から図18(YY)で明らかな
ように、図2のセルコアに基づく図14のデザインによ
って、非常に多様な役に立つ論理関数実現されている
が、これまでに詳述したものは、その中のわずかに過ぎ
ない。
【0044】これまで図11から図14で描かれたセル
の実施例のすべては、隣接セルからの8つの入力と、隣
接セルに対する8つの出力がセルにあるという事実にも
かかわらず、せいぜい、2つの回路網の信号経路がセル
を通じて構成されるという特性を持っている。従って、
2つの回路網の信号経路がセルを通じて構成された場
合、セルの未使用入出力部問の他の可能な接続はすべて
ブロックされる。さらに、これらの入出力部は“A”ク
ラスと“B”クラスに分割されているが、場合によって
は“A”から“B”へ、または“B”から“A”へ信号
を変更するためにセルを単独で用いる必要がある。これ
は通常異なる色によって“A”信号と“B”信号が関連
づけられているため「色不一致」と呼ばれている。
【0045】図19に別の論理アレイは示す。図19
は、本発明によって形成されたセル100のアレイの典
型的な部分における直接相互接続を示したものである。
図1のアレイと同様に、これらのセルは4方向に最隣接
セルを持つ各セル100で二次元マトリックスとして配
置されている。つまり左側(すなわち西側)、右側(す
なわち東側)、上側(すなわち北側)、下側(すなわち
南側)にそれぞれ1つの最隣接セルを持っている。図1
と異なり、各セル100は、4つの入力部101a,1
01b,101c、および101dと、4つの出力部1
02a,102b,102c、および102を持ってい
る。図1のアレイのように、各セル100は、それぞれ
の4つの最隣接セルベの直接接続に関しては同一であ
る。しかし、セル100は隣接セルに対して1つしか出
力を供給せず、また、セル100は隣接セルから1つし
か入力を受け入れない。入出力の型が1つしかない
(“A”と“B”はなし)ために、「色不一致」が完全
に除去される。出願特許第415号のアレイに見られる
ように、本発明と無関係であるために示されていない補
助的バス構造をこのアレイに含めることができる。
【0046】図20は、図19に描かれたようなアレイ
で使用するための、本発明による論理セルの実施例を示
す論理図である。このセルの基本設計は、図14のもの
から派生したものである。ここには4つの重要な相違点
がある。第一は、入力マルチプレクサ103aと103
bの両方が、今度は同じ入力を受信することである。こ
の場合、これらは最隣接セルの出力部から受信した出力
101a−dにすぎない。図11から図14のセルに見
られるように、構成可能な相互接続要素24に対する入
力は、バス回路網、最隣接セル、何らかの他の信号源ま
たはそれらの組合せから発信されるものであってもよ
い。第二は、図14のセルでは横並列で制御された4つ
の入出力選択マルチプレクサ92aと92bは、2つの
入出力選択マルチブレークサ104aと104bに置き
換えられ、やはり、横並列で制御されて、2つの出力関
数F0とF1を作り出す。図14のセルからの出たマル
チプレクサの状態“0”と“1”は、このセルからは除
去されている。第三は、レジスタ33のQ出力39はフ
ィードバックされ、内部フィードバック手段110によ
って入力選択マルチプレクサ103aの入力に変えられ
ている。この特徴によって、図7に示された2進カウン
タの1ビット・スライスや、図8に示すクロック・イネ
ーブル機能を持つレジスタが、単一セル内に完全に実現
することが可能になる。最後に四番目として、4つのセ
ル出力102a−dは、それぞれ別個の5つの入出力選
択マルチプレクサ106a,106b,106c、およ
び106によって決定される。各出力選択マルチプレク
サは、論理出力関数F0またはF1のいずれかを選択す
ることもでき、また、出力が伝送される側以外の3つの
側からの出力の1つを交互に選択することもできる。U
ターンを除げば、これによってプロヅクの問題が解決さ
れる。しかしながら、このようなUターン経路選択は隣
接セルに対するフィードバックパスを実現するために有
用なだけであって、この場合、フィードバッタパスはフ
ィードバック手段110によってセル内部に供給され
る。図20のセルの利点は、Uターンを除げば、色不一
致の問題もブロックの問題も存在しないことにある。
【0047】図21は、図19に示すようなアレイで使
用するための、本発明による別のセルの論理図である。
このセルと図20の前のセルの間の唯一の相違は、出力
選択マルチプレクサ107a,107b,107c、お
よび107dにおいて柔軟性が追加されている点であ
る。図21のセルにおいては、これらの出力選択マルチ
プレクサ107a−dはそれぞれを独立して構成され、
4つの使用可能な出力関数F0,F1,F2、およびF
3の任意の関数を選択することができるが、図20のセ
ルにおいては、これらの関数の内2しか選択することが
できなかった。さらに、図21におけるセルの出力選択
マルチプレクサ107a−dは独立して制御され、柔軟
性が追加されている。図21に示すセルの利点は、色不
一致、ブロックの問題(Uターンを除く)が全く存在し
ないことであり、さらに最大限の柔軟性が含まれている
ことである。
【0048】本発明のこれまでの説明から考えて、多く
の変更、修正および改良等を容易に行えることは明らか
である。図11から図14および図20と図21では、
本発明による改良型論理セルのいくつかの実施例を図示
した。多数の機能的に同様の実施例もさらに可能であ
る。これらの中には、セルコアの否定論理と同じものに
基く論理セルの実現や、本明細書で開示されたようなセ
ルが、六角形などの幾何学的パターンで配置されたアレ
イの実現や、三次元アレイのような他の配線パターンに
よって相互接続されたアレイの実現が含まれるが、それ
らだけに制限されるものではない。
【0049】完全なセルデサインを作成するためにセル
コアの論理を増強する際、多様な設計デザインの選択が
可能であり、それらのいくつかを図11から図14およ
び図20と図21に例示した。しかしながら、本明細書
に開示されたセルコアに基づく同様のセルデサインのす
べては、様々なデザイン選択というの本質とは関わりな
く、本発明の範囲と精神の中にある。特に、デザイン選
択の中に含まれる事柄として、1つのプログラマブル入
力信号を持つXORゲートを用い、セルコアの要素間の
接続を実現することによって、XORゲートをプログラ
ムし、プログラマブル入力の選択に応じて論理配線若し
くはインバータを実現することを考慮に入れる必要があ
ろう。また、各種のマルチプレクサを独立制御で用いる
か従属制御で用いるかによって、柔軟性やサイズ/電力
消費の問題に照らしたデザイン変更を決めることができ
る。セル構成のいくらかを隣接セル及び/若しくはバス
回路網の構成に基づいて自動的に決定するなんらかの機
能をセル自体に含めることも可能である。もう1つの可
能なデザイン選択としては、図12から図14における
2つの出力選択マルチプレクサの各々に対する入力の中
に、いずれのマルチプレクサにも入ってくるすべての出
力を含めるということも有効であろう。そうすることに
よって、両方の出力選択マルチプレクサの中に同じ1セ
ットの入力が含まれ、色不一致を効果的に排除すること
ができよう。これらの選択および他の無数のデザイン選
択によって、本発明のセルコアに総体的に基づく、異な
るセルデサインの広範な集合体が生み出されることにな
ろう。したがって、本発明の範囲は、以下の請求項によ
ってのみ制限されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】出願特許第415号による典型的なセルからな
るアレイ部分の概略図である。
【図2】本発明による改良型論理セルの本質的な特徴を
含む、好適なセルコアを例示した論理図である。
【図3】本発明による好適なセルコアのもう一つの論理
回路の実現例を示す論理図である。
【図4】図2と図3の構成可能な相互接続素子25の一
つの典型的実現(A)、及び、そのいくつかの可能なコ
ンフィギュレーション状態(B)、(C)、(D)、
(E)を示す。
【図5】図2のセルコアをどのようにコンフィギュレー
ションしてマルチプレクサ機能を実現させるかを例示す
る論理図である。
【図6】図2のセルコアをどのようにコンフィギュレー
ションして並列ロード可能なシフト・レジスタの1ビッ
トスライスを実現させるかを例示する論理図である。
【図7】図2のセルコアをどのようにコンフィギュレー
ションして2進カウンタの1ビット・スライス用論理を
実現するかを例示する論理図である。
【図8】図2のセルコアをどのようにコンフィギュレー
ションしてクロックイネーブルを持つレジスタ用論理を
実現するかを例示する論理図である。
【図9】本発明の論理セル実施例のうちのいくつかで使
用される、デフォルト“1”及びデフォルト“0”のプ
ログラマブルパスゲート素子のための回路実現例
(A)、(C)と論理記号(B)、(D)を示したダイ
アグラムである。
【図10】本発明の論理セル実施例のうちのいくつかで
使用される、デフォルト“1”及びデフォルト“0”の
プログラマブルマルチプレクサ素子のための回路実現例
(A)、(C)及び論理記号を示したダイアグラム
(B)、(D)である。
【図11】図1に描写されているようなアレイで用いる
ための、本発明による改良型論理セルの1つの実施例を
示した論理図である。
【図12】図1に描写されるようなアレイで用いるため
の、本発明による改良型論理セルの別の実施例を示した
論理図である。
【図13】図1に描写されるようなアレイで用いるため
の、本発明による改良型論理セルのさらに別の実施例を
示した論理図である。
【図14】図1に描写されるようなアレイで用いるため
の、本発明による改良型論理セルの推奨実施例を示した
論理図である。
【図15】(A)〜(P)に示される論理セルの推奨実
施例を例示したコンフィギュレーション状態の一連の論
理図である。
【図16】(Q)〜(FF)に示される論理セルの推奨
実施例を例示したコンフィギュレーション状態の一連の
論理図である。
【図17】(GG)〜(QQ)に示される論理セルの推
奨実施例を例示したコンフィギュレーション状態の一連
の論理図である。
【図18】(RR)〜(YY)に示される論理セルの推
奨実施例を例示したコンフィギュレーション状態の一連
の論理図である。
【図19】各セルが4つの入力部及び4つの出力部を持
ち、セルの4つの最隣接セルの各々に対して1つの入力
部と1つの出力部が接続されているアレイの典型的な概
略図である。
【図20】図19に描写されるようなアレイで用いるた
めの、本発明による改良型論理セルの1つの実施例を示
した論理図である。
【図21】図19に描写されるようなアレイで用いるた
めの、本発明による改良型論理セルの別の実施例を示し
た論理図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カマロタ ラファエル シー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95128 サン ホセ カレッジ ドライ ヴ 879 (56)参考文献 特開 平2−222920(JP,A) 特開 平1−194608(JP,A) 特開 平2−242425(JP,A) 特開 昭63−1114(JP,A) 特開 昭60−204118(JP,A) 米国特許5019736(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03K 19/177 H03K 19/20

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 プログラマブル論理アレイにおいて、前
    記アレイがK個のコンフィギュレーション制御信号及び
    その信号の論理逆値を供給するための手段と、K個の入
    力部端子の1つあるいはデフォルト値を出力端子に接続
    するためのコンフィギュレーション制御信号に反応する
    プログラマブルデフォルト出力マルチプレクサとを含
    み、前記マルチプクレサがK個のパスゲートであり、K
    個のコンフィギュレーション制御信号の1つの値及びそ
    の値の逆値によって起動された時、各パスゲートがK個
    の入力部端子の1つを出力端子に接続することができ、
    各々のパスゲートが、ドレーン、ソース、及びゲート端
    子を含み、ドレーン端子がK個の入力部端子の1つに接
    続し、ソース端子が出力端子に接続し、ゲート端子がK
    個のコンフィギュレーション制御信号の1つに接続する
    N形MOS形トランジスタ、及び、ドレーン、ソース、
    及びゲート端子を含み、ソース端子がK個の入力部端子
    の1つに接続し、ドレーン端子が出力端子に接続し、ゲ
    ート端子がコンフィギュレーション制御信号の論理逆値
    に接続するP形MOS形トランジスタを含むK個のパス
    ゲート、及び、K個のパスゲートの中のどれも起動され
    ない場合に、出力端子にデフォルト値を供給するための
    K個のMOS形トランジスタチェーンを含み、そのチェ
    ーン中のK個のMOS形トランジスタの各々がドレー
    ン、ソース、及びゲート端子を中に含み、チェーン中の
    次のMOS形トランジスタのドレーン端子にチェーン中
    の各MOS形トランジスタのソース端子を接続すること
    によって、前記チェーンが形成され、前記チェーンの末
    端のソース/ドレーン端子の1つが、デフォルト値を供
    給する手段に接続し、チェーンの他端のソース/ドレー
    ン端子は、マルチプレクサの出力端子に接続し、チェー
    ンの各MOS形トランジスタのゲートの電圧はK個のパ
    スゲートを制御するK個のコンフィギュレーション制御
    信号の中の異なる1つの信号によって決定され、それに
    よってすべてのK個のパスゲートが起動されないときに
    限り、チェーン中のMOS形トランジスタのすべてが導
    電することを特徴とする前記論理アレイ。
  2. 【請求項2】 請求項2に記載のマルチプレクサにおい
    て、前記チェーン中のMOS形トランジスタがN形MO
    S形トランジスタであって、そのチェーン中の各N形M
    OS形トランジスタのゲート端子が、K個のコンフィギ
    ュレーション制御信号中の異なる1つの信号の論理逆値
    に対して接続し、かつ、デフォルト値を供給するための
    手段が低い値“0”を供給することを特徴とする前記プ
    ログラマブル論理セル。
  3. 【請求項3】 請求項2に記載のマルチプレクサにおい
    て、前記チェーン中のMOS形トランジスタがP形MO
    S形トランジスタであって、そのチェーン中の各P形M
    OS形トランジスタのゲート端子が、K個のコンフィギ
    ュレーション制御信号中の異なる1つの信号に対して接
    続し、かつ、デフォルト値を供給するための手段が高い
    値“1”を供給することを特徴とする前記プログラマブ
    ル論理セル。
JP2002307945A 1991-08-30 2002-10-23 プログラマブル論理セル Expired - Lifetime JP3474878B2 (ja)

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US07/752,419 US5245227A (en) 1990-11-02 1991-08-30 Versatile programmable logic cell for use in configurable logic arrays
US752,419 1991-08-30

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