Eletronica Digital III Prof. Dr. Cesar da Costa 1.a Aula:

1.2 Circuitos Integrados Padrões 1.3 Circuitos Integrados ASICs SUMÁRIO 1. Introdução 1.2 Circuitos Integrados Padrões 1.3 Circuitos Integrados ASICs 2. Conceito de Lógica Programável 2.1 Dispositivos Lógicos Programáveis - PLDs 2.2 SPLDs (PLA, PAL, GAL e EPLD) 2.3 HCPLDs (CPLD e FPGA)

Introdução: Os circuitos integrados digitais implementados em pastilha de silício podem ser classificados em dois grupos de integração: a) Circuitos integrados padrões b) Circuitos integrados de aplicação específica (ASIC)

Circuitos Integrados Padrões Os circuitos integrados padrões são compostos pelos circuitos de funções fixas, que correspondem aos componentes digitais básicos: AND, OR, NAND, NOR, NOT, FLIP-FLOPS,etc.

Circuitos integrados digitais SSI. CI 7400 (4 portas NAND) Exemplos: Circuitos integrados digitais SSI. CI 7400 (4 portas NAND) CI 7408 (4 portas AND) Circuitos integrados digitais MSI. CI 74151 (1 Multiplexador 8x1) CI 74LS90 (1contador BCD)

Circuitos Integrados de Aplicações Específicas (ASICs) Os circuitos integrados de aplicação específicas - ASICs são aqueles que precisam de um processo de fabricação especial, que requer máscaras específicas para cada projeto.

Microprocessadores Microcontroladores Exemplos: CISC (Conjunto de instruções complexas) Microprocessadores RISC (Conjunto de instruções reduzidas) Microcontroladores

Conceito de Lógica Programável Nos últimos 30 anos a tecnologia de projeto de sistemas digitais se moveu na direção da Lógica Programável. A maioria dos circuitos de controles digitais modernos estão contidos em um único dispositivo de Lógica Programável: FPGA ou CPLD.

A ideia básica desses dispositivos é permitir ao projetista configurar o circuito eletrônico digital desejado dentro do próprio “chip”. Os recursos de hardware serão configurados para implementar a funcionalidade requerida.

Dispositivos Lógicos Programáveis - PLDs Os PLDs são circuitos integrados que podem ser configurados pelo próprio usuário. Não apresentam uma função lógica definida, até que sejam configurados.

Uma função lógica, seja combinacional ou seqüencial poderá ser representada na forma de soma de produtos, através do uso do Teorema de DeMorgan ou das leis da Álgebra de Boole. Uma função lógica complexa de multi – níveis poderá facilmente ser reduzida a uma configuração de dois níveis usando portas ANDs e portas ORs.

Arquitetura básica de um dispositivo PLD Algumas propriedades das funções lógicas possibilitaram a implementação de componentes eletrônicos contendo arranjos uniformes de portas ANDs e portas ORs que podem ser programadas.

Os dispositivos de lógica programável – PLDs foram os dispositivos eletrônicos que possibilitaram a implementação da Lógica Programável no projeto de circuitos digitais. Os PLDs podem ser classificados em função do número de portas lógicas que comportam como: SPLDs (Simple Programmable Logic Devices); b) HCPLDs (High Complex Programmable Logic Devices).

SPLDs (Single Programmable Logic Devices) São dispositivos simples de baixa capacidade, que tipicamente contêm menos de 600 portas lógicas, fabricados com tecnologia CMOS. Exemplos de dispositivos SPLDs: PLAs (Programmables Logic Arrays); PALs (Programmable Arrays Logic); GALs (Gate Arrays Logic).

Introduzidos em 1970 pela Philips. PLA (Programmable Logic Array). Introduzidos em 1970 pela Philips. A saída do plano AND corresponde ao produto das entradas.

Desenvolvido para superar as deficiências dos PLAs. PAL (Programmable Array Logic). Desenvolvido para superar as deficiências dos PLAs.

GAL (Generic Array Logic). Um novo tipo de PAL baseado em células de memória EEPROM. Introduzido no mercado pela empresa LATTICE.

EPLDs (Erasable Programmable Logic Devices) São dispositivos lógicos programáveis e apagáveis que foram introduzidos no mercado pela empresa ALTERA, no ano de 1983. Os dispositivos EPLDs implementavam capacidade lógica de até 50 dispositivos PALs típicos em um único circuito integrado.

Suas Principais vantagens: Programabilidade e reprogramabilidade. Tecnologia CMOS. Integração em larga escala. Simplificação e redução do tempo de desenvolvimento.

HCPLDs (High Complex Programmable Logic Devices) São dispositivos simples de alta capacidade, que tipicamente contêm mais do que 600 portas lógicas, os mais modernos podem atingir cerca de 250.000 portas lógicas, fabricados com tecnologia CMOS. Exemplos de dispositivos HCPLDs: CPLDs (Complex Programmable Logic Devices); FPGAs (Field Programmable Logic Devices).

CPLDs (Complex Programmable Logic Devices) Foram introduzidos no mercado internacional pela empresa ALTERA, inicialmente como EPLDs. São dispositivos programáveis e reprogramáveis pelo usuário, com alto desempenho, baixo custo por função e alta capacidade de integração. Famílias de CPLDs fornecidos pela ALTERA: MAX II, MAX 3000A e MAX7000.

FPGAs(Field Programmable Gate Array) Foram introduzidos no mercado internacional pela empresa XILINX. São dispositivos programáveis pelo usuário, que consistem de um grande arranjo de células lógicas ou blocos lógicos, com alta capacidade computacional.

Os FPGAs não possuem planos OR ou AND. Basicamente são constituídos por uma matriz lógica, formada por blocos lógicos, chaves de interconexão, blocos de entrada e saída, células lógicas.

Blocos Lógicos No interior de cada bloco lógico existem vários modos possíveis para implementação de funções lógicas. Quando o circuito lógico é implementado em um FPGA, os blocos lógicos são programados para realizar as funções necessárias, e os canais de roteamento são estruturados de forma a realizar a interconexão necessária entre os blocos lógicos.

Arquitetura interna é baseada em blocos lógicos Arquitetura interna é baseada em blocos lógicos. Eles são o coração do FPGA: LUT (Look Up Table). Flip-Flop Permite um uso vasto de funções lógicas. Possuem memórias internas RAM. São Interconectados por switches.

Arquitetura de roteamento A arquitetura de roteamento de um FPGA é a forma pela qual os seus barramentos e as chaves de interconexão são posicionadas para permitir a interconexão entre as células lógicas. Essa arquitetura permite que se obtenha um roteamento completo e, ao mesmo tempo, alta densidade de portas lógicas.

Conceitos básicos da arquitetura de um FPGA Pinos: entradas e saídas dos blocos lógicos; Conexão: ligação elétrica de um par de pinos; Rede: conjunto de pinos que estão conectados; Bloco de comutação: utilizado para conectar dois segmentos de trilha; Segmento de trilha: segmento não interrompido por chaves programáveis;

Canal de roteamento: grupo de duas ou mais trilhas paralelas; Bloco de Conexão: permite a conectividade das entradas e saídas de um bloco lógico com os segmentos de trilhas nos canais; Chaves programáveis: afetam a velocidade, tempo de propagação dos sinais e definem características de volatilidade e reprogramação.

Arquitetura Interna de um FPGA

Tecnologia de programação das chaves de roteamento SRAM: nessa tecnologia a chave de interconexão é uma memória estática RAM de um bit. Antifuse: nessa tecnologia a chave de interconexão é um dispositivo semicondutor de dois terminais, que no estado não programado apresenta alta impedância (aberto) e que no estado programado apresenta baixa impedância (fechado).

Gate Flutuante: nessa tecnologia a chave de interconexão é um transistor MOS, especialmente construídos com dois gates flutuantes semelhantes aos usados nas memórias EPROM e EEPROM . A maior vantagem dessa tecnologia é a sua capacidade de programação e a retenção dos dados. Com a tecnologia Gate Flutuante os dados podem ser programados com o circuito integrado instalado na placa, característica denominada ISP (In System Programmability).

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