LENGUAJES HDL

UNIDAD 4 - LENGUAJES HDL

4.1. DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES

Un Dispositivo Lógico Programable (PLD) es cualquier dispositivo lógico cuya función está especificada por el usuario, después de fabricado el dispositivo. Se usan para remplazar lógica SSI y MSI, ahorrando así en costo y tiempo en el diseño. Entre ellos, encontramos:

Arrays Lógicos Programables

Un Array Lógico Programable (PLA), es un circuito PLD que puede programarse para ejecutar una función compleja. Normalmente se utilizan para implementar lógica combinacional, pero algunos PLA pueden usarse para implementar diseños lógicos secuenciales. El PLA es una solución con un solo circuito integrado a muchos problemas lógicos, que pueden tener muchas entradas y muchas salidas.

Se trata de una solución AND-OR de dos niveles combinacional que puede programarse para realizar cualquier expansión lógica de suma de productos, sujeta a las limitaciones del producto. Estas limitaciones son el número de entradas (n), el número de salidas (m) y el número de términos productos (p). Se puede describir como un “PLA n x m con p términos productos”. Por tanto su utilidad está limitada a funciones que puedan expresarse en forma de suma de productos usando p o menos términos productos.

Un caso especial de PLA es el de uno de los PLD’s más populares, el PAL (Lógica de Array Programable). En este dispositivo solo es programable la parte correspondiente a la AND, mientras que la OR es fija.

Otros dispositivos lógicos programables de interés son:

• ROM, memoria de solo lectura

• PROM, memoria de solo lectura programable

• EPROM, memoria de solo lectura programable y borrable

• EEPROM, memoria de solo lectura programable y borrable electrónicamente

• RAM, memoria de acceso aleatorio

• SRAM, memoria de acceso aleatorio estática

• DRAM, memoria de acceso aleatorio dinámica

TIPOS

ASICS

Desde los finales de la década de 1970, los equipos electrónicos digitales utilizan Circuitos Integrados (CI o

CHIPS) de función lógica fija, realizados en pequeña o mediana escala de integración (SSI, MSI).

Para la implementación de aplicaciones muy complejas, que requieren de una gran cantidad de circuitos de función fija, por lo que resulta más conveniente intégralos en un solo dispositivo fabricado a la medida, los cuales son llamados: ASICS, ApplicationSpecificIntegratedCircuits. (Circuitos Integrados de Aplicación Especifica o circuitos a la medida).

Entre las ventajas que presenta el uso de los ASICs podemos mencionar que: Ahorran espacio, reducen el número de dispositivos, tienen menor costo, reducen el tiempo de ensamble, bajo consumo de potencia, menor calentamiento, facilidad en la verificación (control de calidad) y mejor confiabilidad.

Los ASIC se pueden clasificar por su tecnología de fabricación en cuatro categorías: Arreglos de Compuertas, Celdas Estándar, Full Custom y Lógica Programable

PLD

Un dispositivo de lógica programable (PLD) es un Circuito Integrado cuya estructura lógica final es directamente configurada por el usuario, sin necesidad de llevar a cabo ningún proceso de fabricación.

PeggyAycinena de la revista electrónica IntegratedSystemDesign asegura que los dispositivos lógicos programables son la ola del futuro porque presentan las siguientes características: 10,000 compuertas en 1 in2, entradas y salidas configurables reprogramables y programables remotamente para diferentes funciones.

Los PLDs facilitan el proceso de diseño y reducen el tiempo de desarrollo, cuando se requieren prototipos o producción de baja escala, pues todo el proceso se puede

llevar a cabo con la ayuda de una computadora personal, programas de aplicación y el programador los cuales actualmente están disponibles a bajo costo.

Los diferentes tipos de dispositivos de lógica programable que existen hoy en día pueden clasificarse por su tecnología o su capacidad tales como:

• Simplex Programmable Logic Device SPLDs.

• Complex Programmable Logic Device CPLDs.

• Field Programmable Gate Arraysevice FPGAs.

• Field Programmable Inter Connect FPICs.

GAL

GAL (GenericArrayLogic), en español Arreglo Lógico Genérico, son un tipo de circuito integrado, de marca registrada por Lattice Semiconductor, que ha sido diseñado con el propósito de sustituir a la mayoría de las PAL, manteniendo la compatibilidad de sus terminales.

El GAL básicamente está formado por una matriz AND reprogramable y una matriz OR fija con configuración programable de salidas y/o entradas.

CARACTERÍSTICAS

ASIC

*Son dispositivos definidos por el usuario.

*Pueden contener funciones analógicas, digitales y combinacionales.

PROM

*Son memorias programables de solo lectura.

*Son lógicos.

*Son usadas para codificar las combinaciones de entrada en funciones de salida.

PAL

*Son dispositivos de matriz programables.

*Son los dispositivos programables por usuario más empleados.

GAL

*Las GAL son dispositivos de matrices lógica genérica.

*Son electrónicamente borrables.

PLA

*Son matrices lógicas programables.

*Tienen mayor flexibilidad que otros dispositivos.

FPGA

*Son campos de matrices de puertas programables.

FABRICANTES

Algunos fabricantes de PLD’s son:

• Actel (www.actel.com): Es un fabricante de FPGAs y soluciones lógica programables.

• -Altera Corp. (www.altera.com): Es un fabricante líder de dispositivos lógicos programables.

• -AtmelCorp. (www.atmel.com): Es un fabricante de semiconductores.

• -Chip Express (www.chipexress.com)

• -Cypress Sem. (www.cypress.com): Es una empresa dedicada al diseño de semiconductor.

• -Lattice Sem. (www.latticesemi.com)

• Quicklogic Corp. (www.quicklogic.com): Son proveedores de matrices de puertas programables de campo, con dispositivos solo programables una vez.

PASOS PARA EL DISEÑO CON PLD’S

Etapas del diseño y realización de un sistema digital mediante PLDs.

1).- Especificaciones

2).- Lista de conexiones Verificación

3).- Descripción del diseño

4).- Simulación Funcional

5).- Lista de conexiones

6).- Compilación y/o Síntesis

7).- Simulación Temporal.

8).- Lista de conexiones

9).- Implementación

10).- Análisis de retardos.

11).- Lista de conexiones

12).- Prueba del circuito.

13).- Programación del circuito.

4.2. PROGRAMACIÓN DE CIRCUITOS COMBINACIONALES CON HDL

POR CAPTURA ESQUEMÁTICA

Por Captura Esquemática se entiende el proceso de descripción, mediante un dibujo, de un circuito eléctrico, en él sé que representan a los diferentes componentes del circuito y solo se efectúan interconexiones entre ellos.

Existen varios programas con la aplicación de Captura Esquemática como el “Schematic” del IspStarter de Lattice Semiconductor o “Fundation” de XILINX entre otros.

Esta técnica permite simular en la computadora el circuito virtualmente y verificar su funcionamiento antes de su fabricación o implementación en un PLD, reduciendo así el ciclo de diseño y el tiempo de obtención de un producto.

Programa de Captura Esquemática.

Los cuatro componentes básicos de la captura esquemática son: Símbolos, Conectores, Etiquetas y Puertos de Entrada y/o Salida.

Utilizando el programa IspStarter de Lattice Semiconductor, el primer paso en el proceso de obtener el circuito es precisamente la captura esquemática en donde se genera un archivo de extensión .SCH, posteriormente se pasa al proceso de enlace (link) en donde se valida si los componentes son permitidos en el dispositivo seleccionado, además si el dispositivo tiene la capacidad de integrar los elementos requeridos (FitDesign). También es posible efectuar la simulación antes de obtener el circuito final con la intención de asegurar que este cumpla con los requerimientos solicitados.

En el proceso de enlace se genera un archivo reporte con extensión .REP que nos indica, entre otras cosas, la asignación de terminales (Pin Out) y el archivo JEDEC con el cual efectuaremos la programación del circuito a través de un programador.

Diagrama del proceso de diseño digital por medio de captura esquemática.

La desventaja de la captura esquemática es que en el diseño de circuitos grandes no es posible comprenderlos debido a que hay demasiados componentes entre conexiones en la pantalla, para esos casos es recomendable el uso de lenguajes de descripción de hardware.

POR TABLA DE VERDAD

Para aclarar el proceso es necesario un ejemplo específico, la tabla de verdad especifica un circuito combinacional con dos entradas y dos salidas. Las funciones de BOOLE pueden expresarse en suma de términos mínimos.

POR ECUACIONES BOOLEANAS

Si se requiere reducir la función que realiza el circuito. Este proceso parte del diagrama lógico dado y culmina en un conjunto de funciones BOOLEANAS, una tabla de verdad o una posible explicación del funcionamiento del circuito. Si el diagrama lógico analizar va acompañado de un nombre de función o de una explicación

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