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Descripción de la Funcionalidad de los
CPLD’s
Isaías Daniel Cabana H.
Universidad Nacional de San Agustín
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Resumen Los CPLD’s constituyen hoy en día unos dispositivos enormemente importantes en la actualidad, ruto de la evolución de los PLD’s !ue se crearon a inales de los "#’s. Con una ar!uitectura comple$a pero de potencialidad enorme, los CPLD’s tienen una velocidad y le%ibilidad enormes, &racias a la matri' de conmutación pro&ramable, es posible darle uso desde simples compuertas hasta memorias y circuitos comple$os. Por supuesto, toda tecnolo&ía no est( e%enta de aspectos ne&ativos como en este caso lo es la ri&ide' debido a las pocas compuertas )*D !ue posee, a dierencia de los FP+)’s FP+)’s !ue son m(s le%ibles en este aspecto. as pecto.
3
Índice +eneralidades
#-
Conceptos previos
#/
PLD Historia
#/
0enta$as de los PLD’s
#1
Desventa$as de los PLD’s
#"
2structura b(sica de un PLD
#"
3ipos de PLD’s
#"
Concepto
4#
)r!uitectura de los CPLD’s
45
6acrocelda
45
7lo!ue uncional
48
)r!uitectura de blo!ue de entrada9salida
4-
6atri' de conmutación
41
Pro&ramación de los CPLD’s
4"
Dierencia entre un CPLD y un FP+)
4:
)plicaciones de los CPLD’s
4:
CPLD
7iblio&raía
4;
4
Generalidades
La presente mono&raía se hi'o con la inalidad de describir, a &randes ras&os, la ló&ica de uncionamiento de los CPLD’s.
Conceptos previos PLD Concepto: =n dispositivo ló&ico pro&ramable es un circuito inte&rado, ormado por una matri' de puertas ló&icas y lip>lops, !ue proporcionan una solución al dise?o de orma an(lo&a, a las soluciones de suma de productos, productos de sumas y multiple%ores.
istoria ) mediados de los a?os setenta se produce una uerte evolución en los procesos de abricación de los circuitos inte&rados, y $unto a las tecnolo&ías bipolares, sur&e la 6@< metal o%ide semiconductor, principalmente la *6@<, promoviendo el desarrollo de circuitos di&itales hasta la primera mitad de los a?os ochenta. 2n a!uellas Apocas, el esuer'o de dise?o se concentraba en los niveles elActricos para establecer características e intercone%iones entre los componentes b(sicos a nivel de transistor. 2l proceso de dise?o era altamente manual y tan solo se empleaban herramientas como el P
)lrededor de 4;:4 el Departamento de Deensa de los 2stados =nidos desarrolla un proyecto llamado &S"C #&er' ig( Speed "ntegrated Circuit$ su ob$etivo era rentabili'ar las inversiones en hardBare haciendo m(s sencillo su mantenimiento.
*o necesitan volta$es de alimentación muy elevados, ni &randes consumos de corriente por lo !ue las uentes de alimentación son pe!ue?as y de poca potencia 2n la metodolo&ía de dise?o las dimensiones topoló&icas de las estructuras han disminuido, llevando todo esto a una reducción de los costos
Debido a la reducción de sus costos de dise?os !ue llevó consi&o el constante desarrollo del sotBare y el hardBare tra$o apare$ado el sur&imiento despuAs de varios a?os de los dispositivos ló&icos pro&ramables o PLD*s dentro de ellos las +PGA*s #+ield , Programma-le Gate Arra's$)
&enta.as de los PLD Los PLDEs est(n despla'ando, cada ve' m(s, a la ló&ica discreta y a otros tipos de circuitos )
Pueden reempla'ar a varios componentes discretos, reduciendo con ello el nmero de circuitos inte&rados a utili'ar. 2sto a su ve' supone educción de espacio. educción del nmero de cone%iones. educción de la potencia de consumo. Disminución del coste. )umento de la iabilidad.
La mayor parte de ellos orecen una &ran le%ibilidad al permitir repro&ramar el circuito ló&ico a la medida, pudiendo obtener dierentes coni&uraciones para un mismo dispositivo.
2sta posibilidad !ue brindan al&unos PLDEs de ser repro&ramados, permite !ue se elimine el ries&o de errores a la hora de la &rabación.
Desventa.as de los PLD )l&unos aspectos ne&ativos a se?alar en estos circuitos vienen dado en !ue las tAcnicas de los circuitos impresos cambian considerablemente, la selección del encapsulado no es trivial, las cone%iones entre terminales son muy pe!ue?as y sur&e la necesidad de utili'ar una circuitería adicional para el control de la calidad.
/structura -0sica de una PLD La estructura b(sica de una PLD permite reali'ar cual!uier tipo de circuito combinacional bas(ndose en una matri' ormada por puertas )*D, se&uida de una matri' de puertas @. 3res son los tipos m(s e%tendidos de PLD’s, la PR1!2 PLA2 ' la GAL)
3ipos de PLD’s
P@6 Pro&rammable ead @nly 6emory. 6emoria pro&ra mable de sólo lectura. PL) Pro&rammable Lo&ic )rray. 6atri' ló&ica pro&ramable. P)L Pro&rammable )rray Lo&ic. 6atri' ló&ica pro&ramable. +)L +eneric )rray Lo&ic. 6atri' ló&ica &enArica.
3odos los PLD est(n ormados por matrices pro&ramables. 2sencialmente, una matri' pro&ramable es una red de conductores distribuidos en ilas y columnas con un usible en cada punto de intersección. Las matrices pueden ser i$as o pro&ramables.
!atri4 1R) 2st( ormada por una serie de puertas @ conectadas a una matri' pro&ramable con usibles en cada punto de intersección de una
columna y una ila. La matri' se pro&rama undiendo los usibles para eliminar las variables seleccionadas de las unciones de salida para un caso especíico. Para cada una de las entradas de una puerta @ sólo !ueda intacto un usible !ue conecta la variable deseada en la entrada de la puerta. =na ve' !ue el usible esta undido, no se puede volver a conectar.
!atri4 AND) 2ste tipo de matri' est( ormado por puertas )*D conectadas a una matri' pro&ramable con usibles en cada punto de intersección. al i&ual !ue la matri' @ la matri' )*D se pro&rama undiendo los usibles para eliminar las variables de la unción salida. Para cada entrada de una puerta )*D sólo !ueda intacto un usible !ue conecta la variable deseada a la entrada de la puerta. Como para la matri' @ la matri' )*D con usibles se puede pro&ramar una nica ve'.
2l traba$o con PLDs proporciona acilidad de dise?o, prestaciones, iabilidad, economía y se&uridad.
Facilidad de dise?o. Las herramientas de soporte al dise?o con PLDs acilitan enormemente este proceso. 2stas nuevas herramientas permiten e%presar la ló&ica de los circuitos utili'ando ormas variadas de entrada tales como ecuaciones, tablas de verdad, procedimientos para m(!uinas de estados, es!uemas, etc. La simulación di&ital posibilita la depuración de los dise?os antes de la pro&ramación de los dispositivos. 3odo el e!uipo de dise?o se reduce a un sotBare de ba$o coste !ue corre en un PC, y a un pro&ramador. Prestaciones. Los PLDs 33L !ue hay en el mercado tienen tiempos de conmutación tan r(pidos como los circuitos inte&rados de unción i$a m(s veloces. Los PLDs 2CL son todavía m(s r(pidos.
cada PLD sustituye a varios circuitos inte&rados de unción i$a. 6uchas veces se consi&ue reducir el nmero de placas de circuito impreso economi'(ndose en conectores. La reducción de artículos en almacAn tambiAn aporta venta$as económicas.
CPLD 2s solo una colección de PLD individuales en un simple chip, en compa?ía de una estructura de intercone%ión pro&ramable !ue permite !ue los PLD sean conectados entre sí en el chip de la misma manera !ue un dise?ador astuto puede hacerlo con PLD discretos al e%terior del chip. 2n la amilia CPLD C;/## de ilin%, cada PLD interno tiene 81 entradas y 4: macroceldas y salidas. Cada terminal de 29< e%terna puede ser empleada como una entrada, una salida o una terminal bidireccional de acuerdo a la pro&ramación del dispositivo.
Arquitectura de un CPLD ALTERA MAX 7000
Ar5uitectura de los CPLD’s #6C7899 6ilin$
Las terminales de la parte inerior pueden emplearse como
elo$es &lobales +CJ, &lobal clocGs 2stablecimiento9establecimiento &lobal +<, &lobal set9reset Controles de tres estados &lobales +3<, &lobal three>state controls
Cada F7 7lo!ue de unción recibe 81 se?ales desde la matri' de conmutación. Las entradas a la matri' de conmutación son las 4: salidas de macrocelda de cada uno de los F7 y las entradas e%ternas de las terminales 29<. Cada F7 tiene tambiAn 4: salidas !ue corren Kpor deba$o de la matri' de conmutación y se conecta a los blo!ues de 29<. Mstas son meramente se?ales de habilitación de salida para los e%citadores de salda del blo!ue de 29< son utili'ados cuando la salida de la macrocelda F7 se conecta a una terminal 29< e%terna.
!acrocelda)
;lo5ue
2l arre&lo pro&ramable )*D tiene solo ;# terminos de producto. La mayoría de las macroceldas CPLD tienen menos tArminos )*D por macrocelda, solo /. Los asi&nadores de trminos de producto permiten !ue tArminos de producto sin utili'ar
de una macrocelda sean empleados por otras macroceldas en el mismo 7lo!ue uncional.
Ar5uitectura de -lo5ue de entrada=salida)
2l I@7 del C;/## es un buen e$emplo de una importante tendencia en las ar!uitecturas de 29< en CPLD y FP+) proporcionar muchos controles Nanalo&icasN adems de los Nlo&icosN como las habilitaciones de salida.
o
o
Control de velocidad de sesgo. Permite controlar la velocidad de
uncionamiento del CPLD, aun!ue a mayor velocidad menor capacidad de controlar el ruido. Resistor de arranque. 2sto con la inalidad e mane$ar las entrasa de habilitación de estado activo con otra ló&ica en !ue no se supone estarina habilitadas de durante el encendido. Tierra programale por el usuario. 2sta característica, asi&na una terminal de 29< como una terminal de tierra, esto para mane$ar corrientes din(micas altas en aplicaciones de alta velocidad.
!atri4 de conmutaci>n) Con la tecnolo&ía CI de alta densidad de nuestros días, el problema no es tanto el tama?o como la velocidad. 3ener un &ran nmero de transistores conectados a cada ren&lón o columna provoca una alta capacitancia, l !ue provoca una ba$a
velocidad. Por lo tanto, los abricantes de CPLD buscan maneras de reducir el tama?o de la matri' de conmutación. 2n la i&ura.
*o todas las entradas de la matri' de conmutación deben conectarse a cada salida.
Programaci>n de los CPLDs #cont)$
7orrable elActricamente 7orrado y pro&ramado del CPLD se hace con una corriente o elActrica el CPLD puede ser pro&ramado9borrado en el PC7, no es necesario o encapsulado especial o 'ócalo o tiempo de borrado es mucho menor !ue el borrado =0 o no>vol(til o pro&ramación9borrado es limitada a unos 4###s ciclos o Pro&ramación9borrado se lleva a cabo mediante la Pro&ramación9borrado se lleva a cabo mediante la conección del CPLD a una computadora una PC Cual!uiera con un sotBare del abricante del CPLD. C l CPLD it d d l Como el CPLD no necesita ser sacado del sistema9pla!ueta en !ue esta soldado, esto es conocido como In como In>
Pro&rammable I
Digicas e5uivalentes ' en una +PGA del orden de cientos de miles (asta millones de ellas.
)parte de las dierencias en densidad entre ambos tipos de dispositivos, la dierencia undamental entre las FP+)s y los CPLDs es su ar!uitectura. La ar5uitectura de los CPLDs es m0s rígida y consiste en una o m(s sumas de productos pro&ramables cuyos resultados van a parar a un nmero reducido de biestables síncronos tambiAn denominados lip>lops. La ar!uitectura de las FP+)s, por otro lado, se basa en un &ran nmero de pe!ue?os blo!ues utili'ados para reproducir sencillas operaciones ló&icas, !ue cuentan a su ve' con biestables síncronos. La enorme libertad disponible en la intercone%ión de dichos blo!ues coniere a las +PGAs una gran
Aplicaciones de CPLDs
Controladores de video Controladores L)* Controladores =)3 Control de memorias cache 6(!uinas de 2stado Ló&ica de Control O+lue Lo&ic’ para ló&ica de retardo minimo 3imin& Critical Functions minimo 3imin& Critical Functions HandshaGin& de se?ales Decodiicación de buses amplios 7uer de se?ales Ló&ica de Interrupción Ló&ica de Interrupción Ló&ica de Control de PoBer>up
;";L"1GRA+"A
Fundamentos de sistemas di&itales,3homas L.Floyd Dise?o di&ital, principios y pr(cticas Qohn 2. RaGerly 8ra edición. http99BBB.uhu.es9raael.lope'ahumada9CursosSanteriores9und;"S;:9plds. pd http99BBB.utm.m%9T$vas!ue'95SCPLD.pd http99BBB.ecured.cu9inde%.php9DispositivosSlUC8U78&icosSpro&ramables http99dea.uns$.edu.ar9sisdi&59CPLDs.pd http99ecadi&italiie!uipo".Bordpress.com95#4#9#89#:9dispositivos>lo&icos> pro&ramables>pld9 http99es.BiGipedia.or&9BiGi9CPLD
