Electrónica Digital. Tema 2. Dispositivos Lógicos Programables (PLD)
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- Sofia Villanueva Domínguez
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1 Electrónica Digital Tema 2 Dispositivos Lógicos Programables (PLD)
2 Dispositivos Lógicos Programables Introducción. Dispositivos Lógicos Programables Sencillos. Dispositivos Lógicos Programables Complejos. FPGAs. PLDs con Procesadores Empotrados. Soft cores. Consideraciones para la elección de un PLD. Tabla comparativa. Ejemplo de sistema: tarjeta PRINCE.
3 Dispositivos Lógicos Programables. Introducción Los PLDs son dispositivos electrónicos digitales cuya funcionalidad puede ser programada por el usuario. El modo en que las funciones lógicas deseadas se materializan en el dispositivo depende de la estructura interna del mismo. Son componentes disponibles comercialmente y configurables directamente por el usuario.
4 Dispositivos Lógicos Programables. Introducción Materialización de funciones lógicas: Estructuras AND-OR. Multiplexores. Memorias RAM. Además incluyen otros elementos: Flip-flops. Memorias....
5 Dispositivos Lógicos Programables. Introducción Estructuras AND-OR Materialización de funciones como suma de productos (minitérminos). Permiten configurar un número limitado de minitérminos que se suman en una OR lógica. Se suelen conocer con el acrónimo PAL (Programmable Array Logic).
6 Dispositivos Lógicos Programables. Introducción Estructuras AND-OR Arquitectura:... Entradas... Conexión Programable Salida
7 Dispositivos Lógicos Programables. Introducción Estructuras AND-OR Otras simbologías: Entradas Salida Array AND programable n Salida
8 Dispositivos Lógicos Programables. Introducción Multiplexores Otra forma de materializar funciones lógicas. No suele emplearse en PLD sencillos. Arquitectura: Entradas Salida
9 Dispositivos Lógicos Programables. Introducción Memorias Almacenamiento en una memoria RAM de la tabla de verdad de una función combinacional. No suele emplearse en PLD sencillos. Se les denomina look-up tables (LUT). n Direcciones Entradas Memoria Datos m Salidas
10 Dispositivos Lógicos Programables. Introducción Memorias Ejemplo: Memoria de 4 1 bit. Memoria Entradas A B F = A B Salida 11 0
11 Dispositivos Lógicos Programables. Introducción Características de los PLDs Velocidad: Mayor que series estándar; menor que ASICs. Tiempos de LUT + FF inferiores a 1ns. Densidad de Integración: Menor que ASICs. Hasta 10 Mpuertas + Memoria + HW específico (multiplicadores, procesadores, etc.). Coste de Desarrollo: Mucho menor que ASICs. Prototipado y Verificación: Más sencillos que en ASICs. Configuración (RAM o Flash) in-system. Modificación de diseños: Sencilla. Coste: Depende del volumen. Parámetro /puerta cada vez menor.
12 Dispositivos Lógicos Programables. Introducción Fuerte competencia comercial multitud de siglas: PLD: Programmable Logic Device. PLA: Programmable Logic Array. PAL: Programmable Array Logic. GAL: Generic Array Logic. CPLD: Complex PLD. EPLD: Erasable PLD. HCPLD: High Complexity PLD. LCA: Logic Cell Array. FPGA: Field Programmable Gate Array....etc
13 Dispositivos Lógicos Programables. Introducción Clasificación: PLD sencillos: Arquitecturas PAL. PLD complejos: Agrupación de los anteriores en un único chip. FPGAs: Look-up tables o multiplexores. PLD con procesadores empotrados: FPGAs más hardware específico (multiplicadores, microprocesadores de propósito general, DSP, interfaces,...). Mayor densidad de integración
14 Dispositivos Lógicos Programables. Introducción Configuración de los dispositivos: Configuración no volátil: EPROM, EEPROM (Floating Gate Programming Technology). PROM (Antifuse Programming Technology). Configuración volátil: Memoria RAM. Modos de Configuración: Separando el circuito de la tarjeta (dispositivos antiguos o muy sencillos). Programación en el sistema (In System Programmability, ISP).
15 Dispositivos Lógicos Programables sencillos PALCE22V10: Diagrama de bloques.
16 Dispositivos Lógicos Programables sencillos PALCE22V10: Detalle de la Macrocelda de salida.
17 Dispositivos Lógicos Programables sencillos PALCE22V10: Posibles configuraciones de salida.
18 Dispositivos Lógicos Programables Complejos Elementos constitutivos Bloques lógicos. Permiten la materialización de las funciones lógicas. Típicamente son estructuras PAL y flip-flops. Bloques de entrada/salida. Asociados a los pines del dispositivo. Permiten diversas configuraciones: entrada, salida, bidireccional, registrada, no registrada, etc. Recursos de interconexión. Permiten la conexión entre bloques de los descritos anteriormente. Introducen retardo.
19 Dispositivos Lógicos Programables Complejos Familia MAX3000A: Diagrama de bloques. Bloque Lógico Bloque E/S Interconexión
20 Dispositivos Lógicos Programables Complejos Familia MAX3000A: Bloque Lógico (Macrocell).
21 Dispositivos Lógicos Programables Complejos Familia MAX3000A: Recursos de interconexión (PIA).
22 Dispositivos Lógicos Programables Complejos Familia MAX3000A: Bloque de entrada/salida
23 Dispositivos Lógicos Programables Complejos Familia MAX3000A: Características de algunos elementos de la familia: EPM3032A... EPM3128A... EPM3512A Puertas Macrocells LABs Pines I/O F CNT MHz MHz MHz
24 Elementos constitutivos. Bloques lógicos. FPGAs Permiten la materialización de las funciones lógicas. Habitualmente son LUT (o multiplexores) y flip-flops. Bloques de entrada/salida. Asociados a los pines del dispositivo. Diversas configuraciones. Control de slew-rate, salidas open-drain, PCI, multitensión... Memoria. Bloques de memoria RAM utilizable como tal (simple o doble puerto), o como ROMs o FIFOs, o para materializar funciones lógicas. Recursos de interconexión.
25 FPGAs Familia FLEX10K: Diagrama de bloques. Bloque Lógico Memorias Bloque E/S Interconexión
26 FPGAs Familia FLEX10K: Bloque Lógico (Logic Array Block).
27 FPGAs Familia FLEX10K: Bloque Lógico (Logic Element, LE).
28 FPGAs Familia FLEX10K: Bloque de E/S (IOE).
29 FPGAs Familia FLEX10K: Memoria (Embedded Array Block, EAB). Bloques de RAM que admiten diversas configuraciones y conexiones
30 FPGAs Familia FLEX10K: Recursos de Interconexión (FastTrack)
31 FPGAs Familia FLEX10K: Modos de Configuración. Serie Paralelo Activo (bajo control del FPGA) EEPROM serie externa EEPROM paralelo externa Pasivo (bajo control exterior) Cable de configuración Microprocesador externo EEPROM serie externa EEPROM paralelo externa Microprocesador externo
32 FPGAs Familia FLEX10K: Configuración JTAG. TMS, TCK Conector JTAG TDI TDI TDO TDI FLASH FPGA TDO TDO
33 FPGAs Familia FLEX10K: Configuración JTAG. Vcc R Configuración FPGA #1 FPGA #2... FPGA #n
34 FPGAs Familia FLEX10K: Tensiones de Alimentación. Subfamilias FLEX10K. FLEX 10KE (2.5 V). FLEX 10KA (3.3 V). FLEX 10K (5.0 V). Pines de Vcc y GND diferentes para Núcleo (V CCINT ) y Entrada/Salida (V CCIO ). Tensiones de alimentación diferentes para Núcleo y Entrada/Salida.
35 FPGAs Familia FLEX10K: Tensiones de Alimentación. Tolerancia a otros niveles de tensión. V CCINT V CCIO Entradas Salidas FLEX 10K FLEX 10KA FLEX 10KE ó ó ó , 3.3, ó ó , 3.3, ó , 3.3, ó , 3.3, ó , 3.3, ó 5.0
36 FPGAs Familia FLEX10K: Características de algunos elementos de la familia: EPF10K10... EPF10K250 Puertas LEs LABs EABs 3 (6.144 bits) 20 ( bits) Pines I/O
37 FPGAs Tendencias: Mayor densidad de integración (lógica y pines). Interfaces: LVDS, LVTTL, LVCMOS, PCI, etc. Disminución de la tensión de alimentación. Multiplicadores Hardware. PLLs. Más flexibilidad en el manejo y la distribución de relojes. Modos de power down. Líneas de retardo programables Más memoria. Mayor velocidad.
38 Familia Cyclone II: recursos FPGAs Cyclone-II EP2C5... EP2C70 LEs M4K RAM blocks (4Kbits+512 bits de paridad) RAM bits Multiplicadores PLLs 2 4 Pines I/O
39 FPGAs Familia Cyclone II: diagrama de bloques
40 FPGAs Familia Cyclone II: logic element (LE) en modo normal
41 FPGAs Familia Cyclone II: logic element (LE) en modo aritmético
42 FPGAs Familia Cyclone II: distribución de reloj
43 Familia Stratix II: recursos FPGAs Stratix-II EP2S15... EP2S180 ALMs LEs (equiv) M512 RAM blocks 512 bits M4K RAM blocks 4K bits M-RAM blocks 512 K bits RAM bits (total) Bloques DSP/ Multiplicadores 12/48 96/384 PLLs 6 12 Pines I/O
44 FPGAs Familia Stratix II: diagrama de bloques
45 FPGAs Familia Stratix II: adaptative logic modules (ALMs)
46 FPGAs Familia Stratix II: ALM en modo normal para funciones de 6 entradas
47 FPGAs Familia Stratix II: ALM en modo aritmético
48 FPGAs Familia Stratix II: distribución de reloj
49 FPGAs Familia Virtex 4: 3 subfamilias LX, optimizada para aplicaciones lógicas SX, optimizada para aplicaciones de procesado digital de la señal. FX, optimizada para sistemas embebidos.
50 Familia Virtex 4: recursos FPGAs Virtex 4 XC4VLX15... XC4VLX200 CLBs RAM blocks 18 Kbits RAM bits (total) Bloques DSP DCMs 4 12 Pines I/O
51 PLDs con procesadores empotrados Elementos constitutivos. FPGA: Bloques lógicos. Bloques de entrada/salida. Memoria. Recursos de interconexión. Multiplicadores y Acumuladores para Procesado Digital Microprocesador y Periféricos.
52 PLDs con procesadores empotrados Familia Virtex 4 FX 1 ó 2 Power PC 405 cores Arquitectura Harvard de 32 bits. Caches de 16 KB integradas para instrucciones y datos. Interfaz eficiente con los bloques de RAM del FPGA. 2 ó 4 EMAC cores 10/100/1000 Mb/s RocketIO Transceiver 8-24 canales 622Mb/s-6.5 Gb/s.
53 PLDs con procesadores empotrados Soft cores: MicroBlaze IP de Xilinx Cores de los periféricos más comunes Herramientas de desarrollo GNU Varios RTOS
54 PLDs con procesadores empotrados Soft cores: NIOS II IP de Altera Cores de los periféricos más comunes Entorno de desarrollo Varios RTOS
55 Consideraciones para la elección de un PLD Complejidad del diseño: Area. Número de puertas y flip-flops. RAM integrada. Otros recursos (triestado internos, multiplicadores, etc.). Velocidad. Frecuencia de reloj. Retardo de bloque lógico y de conexionado. Tipo de funciones (nº de variables y nº de minitérminos). Número de entradas y salidas. Entradas o salidas especiales (open-drain, PCI, LVDS...).
56 Consideraciones para la elección de un PLD Características de sistema: Tipo de encapsulado. Accesibilidad a los pines (test). Precio. Configuración. Fuera del sistema o in system (requiere conector). No volátil o volátil (precisa, además, elemento de configuración). Tensiones de alimentación. Reguladores para obtenerlas. Compatibilidad con otros circuitos del sistema.
57 Consideraciones para la elección de un PLD Otros aspectos: Herramientas de desarrollo. Disponibilidad (precio). Prestaciones y calidad. Disponibilidad de IPs. PRECIO.!
58 Precios Dispositivos Lógicos Programables Dispositivo Familia LEs RAM (bits) DSP blocks / Multipliers Pines de E/S de usuario Precio (USD) EPF10K30 Flex 10K EPM3032 Max 3000A 42 (eq) EPM3512 Max 3000A 666 (eq) EP1C3 Cyclone EP1C4 Cyclone EP1C20 Cyclone EP2C5 Cyclone II / EP2C70 Cyclone II / EP1S10 Stratix / EP1S80 Stratix / EP2S15 Stratix II (eq) / EP2S180 Stratix II (eq) /
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60 Ejemplos
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