Principios Electricos

RESUMEN

Las FPGAS son una gran solución en la elaboración de prototipos gracias a la flexibilidad que ofrecen en el diseño. Debido a su importancia, se presenta como ejemplo de diseño, la descripción de un circuito combinacional en lenguaje VHDL programado en una FPGA Spartan XCS200E. Se realizó la simulación funcional utilizando el programa ModelSim 5.7 y para las etapas de diseño restantes se utilizó ISE Foundation 6.1; ambos programas de la empresa Xilinx.

ABSTRACT

FPGAs are a great solution for prototyping because they offer designers the flexibility to test, due to it, we development as an example, a combinational circuit by programming the XCS200E Spartan with VHDL language. To validate the design simulations were done in ModelSim 5.7 simulation tool, for the others design stages, we used ISE Foundation 6.1, both of them of the Xilinx Company.

Palabras clave: circuitos combinacionales, circuitos secuenciales, ISE Foundation, ModelSim, Unidad arimético-logica (ALU).

Keywords: combinational circuits, synchronous circuits, ISE Foundation, ModelSim, Arithmetic Logic Unit. Nomenclatura: ALU: unidad aritmético- lógica CAE: asistencia para ingeniería utilizando un computador CAD: diseño asistido por computador. ASIC: circuito integrado específico a una aplicación HDL: lenguaje de descripción de hardware VHDL: lenguaje de descripción de hardware para dispositivos de alta velocidad PLD: dispositivo lógico programable FPGA: campo de arreglo de compuertas programables. PROM: Es un PLD en el que las uniones en la matriz de puertas AND es fija, siendo programables las uniones en la matriz de puertas OR. PAL: dispositivo programable de las uniones de compuertas AND PLA: dispositivo programable de las uniones AND y OR. DSP: dispositivo dedicado al procesamiento digital de señales

Msc. Dora María Ballesteros Larrotta 1 Msc.(c) Alexis Javier Piraján Aranguren 2

1 Docente Investigador. Grupo de Investigación “Sistemas de Adquisición, Procesado y Análisis de Señales Bioeléctricas: SAPAB”. UMB 2 Docente Universidad Piloto de Colombia, Jefe de Área Sistemas Inalámbricos.

DISEÑO VHDL DE SISTEMAS DIGITALES SOBRE DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES FPGAS DISEÑO VHDL DE SISTEMAS DIGITALES SOBRE DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES FPGAS

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INTRODUCCIÓN

El diseño tradicional de sistemas digitales es de bajo costo y con tiempos de desarrollo cortos, pero es restringido por arquitecturas inflexibles, velocidades de operación y recursos limitados así como poco versátiles a la hora de la puesta en marcha, como lo son: memorias, microcontroladores, procesadores digitales de señal (DSPs), entre otros.

Una solución para estos inconvenientes es el diseño ASIC o de aplicación específica, en contraparte los tiempos de diseño y fabricación son muy extensos y por ende costosos a la hora de solucionar un problema particular. Tomando las ventajas de los dos tipos de diseño expuestos - bajo costo, tiempo de diseño reducido, flexibilidad y versatilidad- surgen los dispositivos lógicos programables, con la característica particular de poseer todos los recursos del primer tipo de diseño concentrados en una pequeña área. Estas ventajas no están completas sin una herramienta adecuada que nos permita organizar y aprovechar estos recursos; para lo cual surgen los lenguajes de descripción de hardware HDL. El diseño de sistemas digitales se transforma en una descripción de alto nivel de los componentes que lo conforman, luego esta descripción configura apropiadamente los recursos del dispositivo, para finalmente obtener el sistema funcional. Lenguajes De Descripción De Hardware

Los lenguajes de descripción hardware –HDL: hardware description languages-, se empezaron a utilizar en los años 70. Los primeros lenguajes surgidos no tuvieron gran acogida y es hasta una década después que aparecen los lenguajes VHDL y Verilog, los cuales son en la actualizad los más utilizados y han desplazado a los otros lenguajes. [1]

A. Historia del VHDL

La creación de este lenguaje se inicia en el año 1981, con la creación del programa de desarrollo de circuitos integrados de muy alta velocidad (VHSIC) del Departamento de defensa de Estados Unidos. En el año de 1982 las compañías IBM, Texas Instrumets, Intermetrics, obtuvieron la concesión para la realización del lenguaje y de un conjunto de herramientas para su aplicación. En el año de 1987 el lenguaje VHDL se convierte en la norma 1076 y en el año de 1993 se actualiza con la norma 1164 [1],[2]. El objetivo principal de utilizar lenguaje VHDL para la descripción de hardware, es especificar y documentar circuitos y sistemas digitales con un lenguaje formal que sea entendido tanto por diseñadores como por máquinas –computadoras-. Entre las principales características del lenguaje se tiene que es ejecutable, lo que permite que la descripción del hardware se materialice en dispositivos programables; posibilita la descripción del hardware con distintos niveles de abstracción y es independiente de la tecnología. Las diferencias entre VHDL y Verilog son: las unidades de diseño múltiple pueden ser compiladas separadamente en VHDL, mientras que en Verilog, al producirse un cambio sencillo en el orden de compilación la simulación puede cambiar; el usuario puede definir el tipo de datos utilizando VHDL; los conceptos de librería, - que permite compilar proyectos de diseño múltiple -, y paquetes – los cuales pueden ser utilizados por cualquier unidad de diseño -, solamente existen en VHDL.

B. Entidades de Diseño de VHDL

El diseño y modelado de sistemas digitales en VHDL, divide el diseño en bloques funcionales que se denominan componentes. Cada componente corresponde a una entidad de diseño: design entity, que se modela por separado como parte de un sistema. La jerarquía se logra utilizando design hierarchy. Las entidades de diseño se construyen en VHDL usando cinco formas diferentes de unidades de diseño, las cuales son: entity, package, configuration, architecture: y package body. [1]-[3]

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Fig. 1. Unidades de diseño de VHDL. Tomado de [1]

- Entity declaration: la declaración de una entidad describe la interfaz de una unidad de diseño la cual se comunica con otras entidades del mismo ambiente. La interfaz incluye todas las entradas, salidas y señales

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