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LLóógica Programablegica Programable

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IntroducciIntroduccióón a los Sistemas n a los Sistemas LLóógicos y Digitalesgicos y Digitales

20082008

Sergio Noriega – Introducción a los Sistemas Lógicos y Digitales - 2008

Lógica ProgramableMemorias

Clasificación según acceso:

Aleatorio

Secuencial

Contenido

Volátiles

No volátiles

Registro de desplazamiento

Circuito de acoplamiento de carga (CCD)

FIFO (First In First Out)

LIFO (Last In First Out)

CAM (Content Addressable Memory)

SRAM

DRAM

Simple puerto

Doble puerto

ROM

PROM

EPROM

EEPROM

FLASH

NVRAM

Introducción a los Sistemas Lógicos y Digitales 2007

Lógica ProgramableMemorias


Lógica ProgramableLógica Programable

Caminos posibles para desarrollo de lógica:

Lógica convencional:•Compuertas (diseño discreto a muy bajo nivel de integración).•Circuitos integrados específicos básicos (sumadores, contadores, FF´s, decodificadores, MUX´s, DeMUX´s, etc.)•Circuitos integrados específicos complejos (timer, contador universal, etc.)

Lógica programable por hardware:•Memoria ROM y sus derivados ( ROM, PROM, EEPROM, Flash, etc.).•Lógica programable (PAL, GAL, EPLD, CPLD-FPGA, etc.).

Lógica programable por software:Microprocesador (microprocesador, microcontrolador, DSP, etc.).



Exigencias del mercado actual:

•Equipos cada vez mas complejos.•Especificaciones variables.•Reducción de costos (tiempos de desarrollo ↓↓).

El diseñador debe por lo tanto:•Requerir de dispositivos mas modernos.•Herramientas de desarrollo mas flexibles.•Posibilidad de actualizar los diseños.•Disminuir costos en el chequeo del producto final.

Solución:Disponer de una plataforma de diseño que le brindeuna solución universal.

Generalmente esto se consigue en el ámbito digital,con la elección de sistemas basados en el empleo demicroprocesadores y/o lógica programable.



Soluciones posibles con lógica programada por hardware

MPGA (Mask Programmabled Gate Array):Diseño específico de chips.Rentable para muy grandes volúmenes de componentes.

ASIC (Application Specific Integrated Circuit):Diseño semi-programable.Rentable para volúmenes moderados de partes.

FPL (Field Programmable Logic):Totalmente configurable.Rentable para volúmenespequeños de partes.



Ventajas del uso de lógica programable sobre lógica standard

Mayor performance:Mayor velocidad.Menor tamaño.Mayor confiabilidad.Mejor adaptación a cambios en el diseño.Control rápido y eficiente del diseño.

Menor costo de desarrollo:Menor tiempo muerto en el desarrollo.Menor cantidad de partes diferentes.Menor cantidad diferentes de fabricantes.



ESTO CUBRE SOLO EL DISEÑO DECIRCUITOS COMBINATORIOS



ESTRUCTURA DE UNA MEMORIA PROM

La opción de desarrollar lógica combinatoria con ROM tiene la ventaja de poder implementar múltiples funciones de varias variables simultáneamentePor ejemplo una ROM de 64KBytes x 8 permite generar 8 funciones de hasta 16 variables cada una.Los problemas son: baja velocidad de respuesta, subutilización del hardware e imposibilidad de generar lógica secuencial.



Evolución de los Dispositivos Lógicos Programables (PLD)

Primera generación: PAL (Programmable Array Logic)PLA (Programmable Logic Array)GAL (Generic Array Logic)

Segunda generación: EPLD (Electrically Programmable Logic Device)

Tercera generación: FPGA (Field Programmable Gate Array)



ESTRUCTURA BÁSICA DE UNA PAL



ESTRUCTURA BÁSICA DE UNA PLA



quemado

intacto

Esquema físico para la implementación de la función

A B

Esquema simplificado para la implementación de la función

A B

hay unión

no hay unión

Esquema del circuito asociado a una de las compuertas AND que forman la estructura de una PAL básica.



Vista del primer chip programable (PAL16L8)

En el año 1977 Monolithic Memories Inc. creó el primer circuitointegrado digital programable por el usuario.

PAL (Programmable Array Logic)


Lógica ProgramableLógica ProgramablePAL (Programmable Array Logic)



PAL16L8




PAL16R8




PAL16R8

PAL16R8



Lógica ProgramableLógica Programable GAL16LV8

Generic Array Logic

La GAL es a diferencia de la PALprogramable con memoria EEPROMa fin de poder ser re-programableun número muy grande de veces(10.000 y con mantenimiento dela información de unos 10 años).LV trabaja con 3.3V y V con 5V.Posee 8 bloques lógicos idénticospara generar funciones

Lattice Semiconductor



OLMC (Out Logic Macrocell)



La GAL16LV8 tiene 3 modos de configuración de In/Out:

�Modo Simple (similar a la estructura de la PAL16L8)

�Modo Complejo (agrega la posibilidad de usar Tri-State)

�Modo Registrado (permite salidas con FFD)

Modo Simple



Modo Complejo

Modo Registrado


Lógica ProgramableLógica ProgramableEPLD

Los circuitos programables digitales de segunda generación también sebasan en el uso de matriz AND-OR (programable la AND) para generar undado número de funciones lógicas generalmente de hasta 5 variables.Las características mas sobresalientes de las EPLD ó también llamadas CPLD (Complex PLD) son:> Utilizan tecnología E2PROM para su programación.> Existe una matriz compleja de interconexión (PIM) con gran flexibilidad en la configuración interna y asignación de señales a los pines de E/S.

> Poseen una interface serie especialcon propósitos de programacióny test en fabrica y por el usuario.

> Su estructura interna cuenta conbloques idénticos (Logic Blocks)para genera una función combinatoria con posibilidad de salida registrada.

> Suelen utilizarse para aquellosdiseños donde se requiera de baja a mediana complejidad con recursos fundamentalmente de lógica combinatoria y a bajo costo.


Lógica ProgramableLógica ProgramableFPGA

Son dispositivos de 3ra. generacióncon bloques lógicos basados en LUTs.Tienen una matriz de interconexiónmucho mas compleja y distribuídaque las EPLD.Existen versiones de FPGA que tienencomo elementos de memoria celdas SRAM (las mas comunes), además deanti-fusibles y Flash.Con RAM se tiene la ventaja de poderimplementar diferentes tipos dememoria además de poseer una mayor densidad de integración lo quepermite mayor realización de lógica.La desventaja es la necesidad de unamemoria externa de booteo.Actualmente hay versiones de FPGAcon bloques dedicados de PLL ymultiplicadores aritméticos paraimplementar DSP.


Lógica ProgramableLógica ProgramableEPLD vs. FPGA

Las EPLD son mas baratas y no requieren el empleo de memoria seriepara su configuración como las FPGA basadas en RAM. Son de granuladidadgruesa.Las FPGA basadas en RAM en cambio permiten mayor densidad de integración, tanto interna como disponibilidad de pines de E/S, una gran capacidad de síntesis secuencial y flexibilidad en el diseño lógico.Las FPGA basadas en anti-fusibles son OTP (One Time Programmable)y su utilización está restringuida al ámbito aeroespacial.Las FPGA basadas en tecnología E2PROM sacrifican espacio en beneficiode eliminar la memoria E2PROM serie y abaratar un poco los costos. Las FPGA suelen ser de granualidad fina.

LLóógica Programablegica Programable

Sergio Noriega – Introducción a los Sistemas Lógicos y Digitales - 2008

Bibliografía:

Apuntes de teoría:• Trabajo Final “Introducción a los Dispositivos FPGA: Análisis y Ejemplosde Diseño ”. Autor: Eduardo Bozich. Año 2005.

Libros:• “Circuitos microelectrónicos”. Sedra - Smith. Ed. Oxford.• “Sistemas Digitales”. R. Tocci, N. Widmer, G. Moss. Ed. Prentice Hall.• “Diseño Digital”. M. Morris Mano. Ed. Prentice Hall. 3ra edición. • “Diseño de Sistemas Digitales”. John Vyemura. Ed. Thomson.• “Diseño Lógico”. Antonio Ruiz, Alberto Espinosa. Ed. McGraw-Hill.• “Digital Design:Principles & Practices”. John Wakerly. Ed. Prentice Hall.• “Digital Design with CPLD Applications and VHDL”. Robert Dueck. Ed.

Thomson .• “Diseño Digital”. Alan Marcovitz. Ed. McGraw-Hill.• “Electrónica Digital”. James Bignell, R. Donovan. Ed. CECSA.• “Fundamentos de Diseño Lógico y Computadoras”. M. Mano, C. Kime.

Ed. Prentice Hall.

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