Tema 6 Lògica Programable

6

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

1

LÒGICA PROGRAMABLE6.1 PLD

6.2 CPLD

6.3 Memòries RAM

Dr. Joaquim Salvi, Dr. Arnau OliverEscola Politècnica Superior

Universitat de Girona

2

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Introducció

Qualsevol sistema el podem implementar:

• Software: Flexibilitat

• Hardware: Rapidesa

Tenim la necessitat d’aconseguir hardware més flexible

• Programació / Reprogramació

• Correcció d’errors (Assaig i error)

• Reaprofitament de dispositius

La solució és utilitzar PLDs (Programmable Logic Devices)

3

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

6.1 PLD

Classificació:

• SPLD (Simple PLD)• MROM – Mask Read Only Memory

• PROM – Programmable ROM

• EPROM – Erasable PROM

• EEPROM – Electrically Erasable PROM

• PLA – Programmable Logic Array

• PAL – Programmable Array Logic (cas particular de PLA)

• GAL – Gate Array Logic

• ...

• CPLD (Complex PLD)• FPGA – Field Programmable Gate Array (basades en SRAM)

4

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Notació en PLDs

5

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Notació en PLDs

6

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Tipus de SPLDs

7

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

SPLD - ROM

ROM – Read Only Memory (Memòria de només lectura)

• n línies d’adreces

• 2n cel·les de memòria

• m bits per cada cel·la

Sistema combinacional de

m funcions d’n entrades i 1 sortida

8

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

SPLD - ROM

Ex: Implementació d’un full adder d’1 bit

ROM 23 x 2 bits

9

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

SPLD – MASK ROM

Es la tecnologia més antiga

El fabricant necessita crear unes màscares (la mateixa idea que els negatius en fotografia)

• Car de fabricar

• Surt a compte per fabricar un gran nombre de dispositius idèntics

Tecnologia interessant per produir dispositius que perduren duran molt temps sense necessitat de modificar-los.

Aquests dispositius no es poden reprogramar i s’han de llençar quan es vol actualitzar.

L’actualització requereix generar noves màscares.

10

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

SPLD – PROM

Programmable Read Only Memory

Són memòries ROM programables una única vegada.

Es poden programar fonent els fusibles (eliminant contactes) o deixant-los intactes (mantenint el contacte).

Per a la programació s’utilitzen voltatges més alts que els habituals durant el funcionament del dispositiu

Tenen una vida molt llarga.

L’usuari la pot programar amb un dispositiu especial.

11

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

SPLD – PROM

12

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

SPLD – PROM

Exemple: taula de veritat de 8 funcions (sortides) de 5 variables (entrades)

13

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

SPLD – PROM

Exemple: taula de veritat de 8 funcions (sortides) de 5 variables (entrades)

14

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

SPLD – EPROM

Erasable Programmable Read Only Memory (UV PROM)

Són memòries PROM reprogramables

Es poden esborrar si són exposades a llum ultravioleta. L’esborrat és lent (aprox 10 minuts) i es sol fer amb tubs fluorescents de raigs UV.

Molt més flexibles que les PROM• Canvis de programes / dades

• Correcció d’errors

• Recuperació de dispositius mal gravats.

Pot mantenir les dades durant un temps limitat (10 anys)

L’usuari la pot programar amb un dispositiu especial.

15

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

SPLD – EEPROM

Electrically Erasable Programmable Read Only Memory

Són memòries PROM reprogramables.

Poden ser esborrades parcialment/totalment aplicant un voltatge elevat. El nombre de vegades que es pot esborrar és limitat. El temps de programació és lent.

Es coneguda també com a FLASH ROM• Càmeres digitals

• BIOS (Basic Input Output System) modernes dels PCs. Antigament venien programades de fàbrica (Mask ROM), actualment són de tecnologia E2PROM per a poder ser actualitzades.

• Flash Disc

16

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

SPLD – EPROM i E2PROM

17

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

SPLD – PLA

Programmable Logic Array

Implementa funcions de n variables en forma de suma de productes.

Cada terme pot tenir fins a 2·n entrades (n variables i els seus complementaris)

Com a màxim es poden sumar fins 2n termes

Exemple:

n = 3 variables

2·n entrades (A, A’, B, B’, C, C’)

funció com a màxim pot tenir 8=23 termes

18

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

SPLD – PLA

n entrades – array de portes AND amb 2·n entrades possibles (variables i els seus complementaris), programables cada una.

m sortides – cada AND es pot connectar (programable) a cada OR de l’array d’m ORs de sortida.

k ANDs – El nombre de portes AND (k) es molt inferior a 2n

termes diferents que poden aparèixer en una funció

19

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

SPLD – PLA

PLA 4x3 amb 6 termes (n=4, m=3, k=6)

20

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

SPLD – PLA

PLA 4x3 amb k=6. Representació compacta.

21

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

SPLD – PAL

Programmable Array Logic

Es un cas particular de la PLA on l’array d’ORs és fixa (no es pot programar).

Pot implementar les mateixes funcions que una PLA escollint correctament els paràmetres n, m i k.

22

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

SPLD – PAL

PAL:

n = 4 (entrades),

m = 4 (sortides),

k = 3 (termes)

23

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

SPLD – PAL

Ex: PAL n = 4 (entrades), m = 2 (sortides), k = 4 (termes)

F1 = DC + D’C’ + BA’ + B’A

F2 = DA + CB’ + D’C’BA

La x indica que el fusible no està fos (hi ha contacte)

24

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

SPLD – GAL

Gate Array Logic

Bàsicament és una PAL molt més densa (amb més portes ANDs)

La matriu de portes AND es reprogramable (més d’un cop) utilitzant tecnologia d’E2PROM

A la sortida de les OR hi ha cel·les programables que poden implementar petits circuits combinacionals / seqüencials, anomenats OLMC (Output Logic Macro Cell)

25

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

SPLD – GAL

Gate Array Logic

26

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

SPLD – ROM vs PLA vs PAL

27

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

SPLD – ROM vs PLA vs PAL

ROM (més genèric) -> PLA -> PAL (més específic)

ROM

- Per implementar funcions expressades en forma canònica (minterns)

- Per funcions incompletes es molt ineficient, doncs hi ha molta memòria que no s’utilitza.

PLA

- Permet reutilitzar minterns a diferents funcions de sortida.

PLA i PAL

- Permeten implementar funcions simplificades

- Limitació del nombre de termes dins de la suma

- Cal escollir la PAL/PLA amb la n, m i k per s’ajusti al problema.

28

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

6.2 CPLD

Complex Programmable Logic Array

Conegudes també com a FPGA (Field Programmable Gate Array)

Basades en SRAM (Static Random Access Memory)

Es programen a través d’un computador o una EPROM emprant un llenguatge de programació per descriure circuits lògics anomenat VHDL (VHDL ve de Very High Speed Integrated Circuit i Hardware Description Language).

El programa en VHDL es compila amb un computador que el transforma a portes lògiques i programa la EPROM de la FPGA.

Poden implementar circuits de milions de portes lògiques i poden tenir milers de pins d’entrada i de sortida.

29

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

CPLD

Complex Programmable Logic Array

Fabricants de FPGA: Altera i Xilinx (80% del mercat), també Lattice, Actel, SiliconBlue, ...

ex: Mux 2x1 amb VHDL

30

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

6.3 RAM

Random Access Memory

Agrupació en cel·les bàsiques de 1 bit

S’accedeix a les cel·les de forma semblant a una ROM emprant un decodificador

Tipus:

- SRAM (static RAM)- Es la implementació d’un biestable, utilitza uns 6 transistors.

- Mantenen la dada mentre estan alimentades

- DRAM (dinamic RAM)- Cal refrescar (regrabar la dada) cada cert temps sinó aquesta es perd

- Utilitza un únic transistor per bit.

- Es molt més densa, barata i consumeix menys.

31

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

6.3 RAM

Diagrama lògic d’una cel·la bàsica (CB) d’1 bit.

32

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

6.3 RAM

Diagrama lògic d’una RAM

33

LÒGICA PROGRAMABLE

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

Més informació:

Estructura i Tecnologia de Computadors, tema 6

https://www.documentauniversitaria.cat/botiga.php?a=llibre&id=809

www.unigrades.eu

Floyd, Thomas L. (2009). Digitals Fundamentals. PearsonInternational. – Capítols 10 i 11