LÓGICA PROGRAMABLE. Introducción Simple PLDs Complex PLDs FPGAs. Dpto. Ingeniería Electrónica y Comunicaciones

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1 Introducción Simple PLDs Complex PLDs FPGAs

2 Diseño tradicional: basado en CIs estándar SSI/MSI Obtención de la función lógica Reducción a términos producto Minimización: Número de integrados Retardo de propagación

3 Sistemas actuales de diseño digital: Dispositivos lógicos programables (PLDs) Microcontroladores (capacidad para ejecutar un conjunto de instrucciones) ASICs (Application Specific Integrated Circuits): circuitos integrados diseñados a medida

4 Dispositivos lógicos programables: integrados LSI/VLSI estructura circuital regular y flexible configurables para realizar la función lógica requerida programables (estructura de interruptores)

5 Ventajas de los PLDs Menos dispositivos en el diseño Menor coste Menos espacio de tarjeta Menor consumo Flexibilidad para modificar el diseño Automatización del diseño

6 Dispositivos lógicos programables: clasificación SPLDs (Simple PLDs): basados en campos AND-OR CPLDs (Complex PLDs): basados en campos AND-OR FPGAs: basados en bloques lógicos formados por multiplexores o tablas (LUTs)

7 Introducción > Simple PLDs Complex PLDs FPGAs

8 SPLDs PROMs PALs, GALs PLAs

9 PROMs Programmable Read Only Memory Campo AND fijo (decodificador completo) Campo OR programable Se usan para almacenamiento de datos (LUTs: look-up tables) Dispositivos borrables: EPROMs, EEPROMs

10 I 3 I 2 I 1 I 0 Conexión programable Conexión fija Campo AND fijo Campo OR programable Estructura interna de una PROM O 3 O 2 O 1 O 0

11 A 1 A 0 A 1 A 0 D 3 D 2 D 1 D Ejemplo de programación de una PROM D 3 D 2 D 1 D 0

12 PALs y GALs Programmable Array Logic Campo AND programable Campo OR fijo Desarrolladas por Monolithic Devices en 1976 GAL: Generic Array Logic (PAL borrable eléctricamente)

13 I 5 I 4 I 3 I 2 I 1 I 0 Conexión programable Conexión fija Campo AND programable Campo OR fijo Estructura interna de una PAL O 3 O 2 O 1 O 0 Con esta estructura se pueden implementar 4 funciones de 6 entradas y hasta 4 términos producto

14 Denominación PAL22V10 Número de entradas Tipo: L: salida combinacional R: salida con registros V: salida versátil Número de salidas Información en:

15 PAL16L8

16 PAL16R4

17 PAL22V10

18 PAL22V10 (detalle)

19 22V10 12 entradas (I) 10 entradas/salidas (I/O) Cada pin I/O posee asociada una OLM (Output Logic Macrocell) Cada macrocelda posee un biestable La salida de cada macrocelda se puede configurar como combinacional o con registro La salida puede configurarse como activa en alto o en bajo

20 22V10 Número de términos producto variable de 8 a 16 Todos los biestables del OLM comparten: Señal de reloj (mismo flanco activo) Reset asíncrono (AR) Preset síncrono (SP)

21 Esquema de una macrocelda de salida

22 Posibles configuraciones de la macrocelda de salida

23 PLAs Programmable Logic Array Campo AND programable Campo OR programable Desarrolladas por la firma Signetics Corporation en 1975

24 I 5 I 4 I 3 I 2 I 1 I 0 Conexión programable Campo AND programable Campo OR programable Estructura interna de una PLA O 3 O 2 O 1 O 0

25 Tecnología de programación Bipolar Cada interruptor es un fusible que se funde con un pico de corriente Una vez programado no se puede reprogramar (OTP: One Time Programmable) MOS Cada interruptor es un transistor MOS de puerta aislada EPLD: borrado por luz ultravioleta EEPLD: borrado eléctrico

26 Introducción Simple PLDs > Complex PLDs FPGAs

27 CPLDs Complex Programmable Logic Devices Contiene varios bloques lógicos, cada uno similar a un pequeño PLD Los bloques lógicos se comunican mediante interconexiones programables Se obtiene un uso altamente eficiente del área de silicio El origen de las CPLDs son las EPLDs de Altera (1984)

28 EPLDs de Altera

29 EPLDs de Altera

30 EPLDs de Altera

31 CPLDs Tomamos como ejemplo las CPLDs de la firma Xilinx

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39 Introducción Simple PLDs Complex PLDs > FPGAs

40 Tecnología Gate Array Desarrollada por IBM en los años 70 Basada en circuitos que contienen: Puertas lógicas simples Elementos de interconexión Elementos de entrada/salida Todos estos elementos son conectados entre sí en el momento de la fabricación del chip para obtener el diseño lógico deseado

41 Puertas lógicas sencillas Elementos de interconexión Elementos de entrada/salida Gate Arrays

42 FPGAs Field Programmable Gate Arrays Formadas por: Bloques lógicos Bloques de entrada/salida Canales de interconexión Los bloques lógicos constan de: Tablas (look-up tables) Multiplexores Registros

43 Bloques lógicos Elementos de interconexión Elementos de entrada/salida FPGAs

44 La primera FPGA fue desarrollada por Xilinx en 1984, y se denominaba LCA (Logic Cell Array) Configurables mediante elementos de memoria RAM (volátil). Se precisa una EPROM externa de configuración Tomamos como ejemplo la serie XC4000 de Xilinx

45 Estructura general de una FPGA CLB CLB Slew Rate Control Passive Pull-Up, Pull-Down Vcc Switch Ma trix D Q Output Buffer Pad CLB CLB Q D Delay Input Buffer Programmable Interconnect I/O Blocks (IOBs) C1 C2 C3 C4 H1 DIN S/R EC G4 G3 G2 G1 G Func. Gen. DIN F' G' H' S/R Control SD D Q EC F4 F3 F2 F1 K F Func. Gen. H Func. Gen. G' H' DIN F' G' H' H' F' 1 S/R Control 1 RD SD D Q EC RD Y X Configurable Logic Blocks (CLBs)

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51 Sistemas de desarrollo Software diseñado para ayudar al usuario a realizar un desarrollo basado en PLD de una manera sencilla Generalmente incluyen: Editor HDL (Hardware Description Language) Editor de máquinas de estado Captura de esquemático Simulador temporal

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