Circuitos digitales configurables Parte3 Tema 2

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Escuela Técnica de Ingenieros de Telecomunicación
Departamento de Tecnología Electrónica
Universidad de Vigo
Circuitos digitales configurables
SISTEMAS ELECTRÓNICOS DIGITALES
BLOQUE 2
CIRCUITOS DIGITALES CONFIGURABLES
(PARTE 3: Tema 2)
CONJUNTO CONFIGURABLE DE PUERTAS
FPGA (Field Programmable Gate Array)
Tecnología y Proceso de configuración
Enrique Mandado Pérez
María José Moure Rodríguez
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Circuitos digitales configurables
FPGA (Field Programmable Gate Array)
TECNOLOGÍA
Tipo de elemento de configuración utilizado.
La tecnología de los elementos de configuración influye en la velocidad de
operación y en el aprovechamiento del área de semiconductor.
CLASES DE ELEMENTOS DE CONFIGURACIÓN
– No volátiles
Conservan el estado de corte o conducción al dejar de alimentar el circuito.
– Volátiles
No memorizan el estado al desconectar la alimentación del circuito. Esto
hace que la configuración tenga que almacenarse en un sistema externo.
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FPGA (Field Programmable Gate Array)
Tecnologías de PLD/FPGA
NO VOLÁTILES
PLD/FPGA
VOLÁTILES
FPGA
EPROM
EEPROM
FLASH
ANTIFUSIBLE
SRAM
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FPGA (Field Programmable Gate Array)
TECNOLOGÍAS BASADAS EN CELDAS DE MEMORIA
• El estado de un elemento de configuración está determinado
por el valor almacenado en una celda de memoria:
– No volátil: EPROM, EEPROM, FLASH, antifusible.
– Volátil: SRAM.
• Las celdas de memoria no están concentradas sino distribuidas
por todo el dispositivo y cerca del elemento que configuran.
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FPGA (Field Programmable Gate Array)
TECNOLOGÍAS BASADAS EN CELDAS DE MEMORIA SRAM
CLB
CLB
SRAM
Celda SRAM + Transistor de paso
CLB
SRAM
CLB
SRAM
Los interruptores programables están formados por transistores MOS de transmisión o paso,
controlados mediante elementos de configuración que son celdas de memoria estática denominadas
SRAM (Static Random Access Memory)
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FPGA (Field Programmable Gate Array)
TECNOLOGÍA BASADA EN CELDAS DE MEMORIA SRAM
En la figura se representa la estructura típica de la celda de una memoria SRAM (Static
Random Access Memory). Dicha celda constituye el elemento de configuración y está formada
por un biestable de tecnología CMOS y un transistor de control que permanece cortado durante
la operación normal de la FPGA, y conduce para almacenar el nivel lógico de la línea de dato en
el biestable, durante el proceso de configuración, o para leer el contenido del biestable a través
de la línea de dato durante el proceso de lectura de la configuración (Readback).
VCC
VCC
DATO
LECTURA Y
ESCRITURA
Q
Q
A un transistor MOS
de paso
TRANSISTOR
DE CONTROL
Celda de memoria estática
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FPGA (Field Programmable Gate Array)
TECNOLOGÍA BASADA EN CELDAS DE MEMORIA FLASH
G
G
S
Puerta de
control
VG = Vpp
D
Puerta flotante
VS = Vpp
S
VD ≤ Vpp
Puerta de
control
D
Puerta flotante
Aislante (Si O 2)
(Si O 2)
Canal
Canal
Surtidor n+
Drenador n+
Tipo p
Surtidor n+
Drenador n+
Tipo p
Sustrato
Sustrato
a)
b)
Transistor MOS de canal N de puerta flotante de espesor aislante reducido, borrable
mediante impulsos eléctricos: a) Polarización durante la operación de escritura o
programación; b) Polarización durante la operación de borrado o desactivación.
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FPGA (Field Programmable Gate Array)
TECNOLOGÍAS BASADAS EN ANTIFUSIBLES
Antifusible (Antifuse)
Elemento de memoria constituido por dos zonas conductoras separadas por un
aislante de impedancia muy alta. Al aplicar una tensión elevada entre las dos zonas
conductoras el aislante se convierte en conductor y pasa a tener una impedancia baja.
Esta situación es irreversible y por ello el elemento no es reprogramable. Además su
comportamiento es inverso al de un fusible y por ello se le denomina antifusible
(Antifuse).
Punto de ruptura
Punto de ruptura
Metal
Si O 2
Polisicilio
Nitruro
Metal
N+
Si O 2
Antifusible Metal-metal
Antifusible de dieléctrico
Óxido
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FPGA (Field Programmable Gate Array)
TECNOLOGÍAS BASADAS EN ANTIFUSIBLES
Antifusible (Antifuse)
Características
–
–
–
–
Menor retardo.
Menor tamaño del elemento de configuración.
No volátil.
Mayor tolerancia a la radiación electromagnética.
Suelen recibir el nombre de OTP FPGA.
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FPGA (Field Programmable Gate Array)
PROCESO DE CONFIGURACIÓN
FPGA
(Según el tipo de interruptor)
NO
RECONFIGURABLES
(OTP)
RECONFIGURABLES FUERA
DEL SISTEMA (EPROM)
BASADOS EN EEPROM/FLASH
RECONFIGURABLES
RECONFIGURABLES
DENTRO DEL SISTEMA
BASADOS EN SRAM
(Reconfigurables en línea)
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FPGA (Field Programmable Gate Array)
CONFIGURACIÓN FUERA DEL SISTEMA
(OFF SYSTEM PROGRAMMABLE)
Conexión
• Puerto serie (USB) o paralelo
• Conector específico
PROGRAMADOR
COMPUTADOR
DE
PERSONAL
FPGA
Equipo de configuración basado en un computador personal.
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CONFIGURACIÓN EN EL SISTEMA
(IN SYSTEM PROGRAMMABLE)
ISP FPGA
PROCESADOR DE CONFIGURACIÓN
Conexión
serie
PROCESADOR
DE
COMUNICACIONES
CIRCUITO DE
Recursos
de la
FPGA
CONFIGURACIÓN
Diagrama de bloques de una FPGA configurable en el sistema (ISP FPGA).
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FPGA (Field Programmable Gate Array)
CONFIGURACIÓN EN EL SISTEMA
(IN SYSTEM PROGRAMMABLE)
Conexión serie
PROCESADOR
DE
COMUNICACIONES
FPGA
SISTEMA
COMPUTADOR
ELECTRÓNICO
PERSONAL
BASADO EN UNA FPGA
Diagrama de bloques típico de un sistema electrónico
basado en una FPGA programable en el sistema
mediante un computador en el que se instala la herramienta de CAD.
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CONFIGURACIÓN EN EL SISTEMA
(IN SYSTEM PROGRAMMABLE)
Software de programación
(Herramienta CAD del fabricante)
FPGAconfigurable
en el sistema
FPGA configurable en el sistema por medio de un computador personal
en el que se ejecutan los programas que forman la herramienta de CAD
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CONFIGURACIÓN EN EL SISTEMA
(IN SYSTEM PROGRAMMABLE)
Canal de comunicación
EPROM
serie o paralelo
SRAM
EEPROM
FPGA
o FLASH
Configuración de un circuito FPGA de tipo SRAM mediante una memoria pasiva.
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FPGA (Field Programmable Gate Array)
CONFIGURACIÓN A TRAVES DE UN CANAL SERIE
Preguntas que se tuvieron que hacer los ingenieros de los laboratorios de desarrollo de los
fabricantes de circuitos FPGA en la década de 1990:
-¿La configuración de una FPGA es un proceso con unas características especiales?
Respuesta: Si. Es un proceso de control distribuido. El procesador de comunicaciones que
forma parte del procesador de configuración tiene que enviar información a muchos sitios
situados en puntos diferentes de la FPGA y debe comprobar que dicha información ha
llegado al punto correcto. Hay que establecer una comunicación serie que recorra muchos
sitios de la FPGA porque una comunicación paralelo es inviable.
- ¿Existe algún tipo de solución hardware de una comunicación serie en el interior de un
circuito integrado ya desarrollada que pueda servir para llevar a cabo el proceso de
configuración?
Respuesta: Si . Existe JTAG ( Joint Test Action Group). Deberíamos aprovecharla.
Y eso hicieron.
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FPGA (Field Programmable Gate Array)
BREVE HISTORIA Y DESCRIPCIÓN DE JTAG
Verificación de un sistema
Proceso mediante el cual se comprueba que su comportamiento es acorde con las
especificaciones. Es un proceso inherente a la Tecnología, y su importancia ha ido
creciendo simultáneamente con el aumento de la complejidad de los sistemas creados
por el ser humano.
Para realizar la verificación de un sistema se aplican determinados estímulos a sus
entradas y se observa la respuesta obtenida a sus salidas. Dichos estímulos pueden ser
los mismos que recibe el sistema en funcionamiento normal, o específicos para efectuar
la verificación.
Sistemas digitales complejos realizados en un circuito integrado
monolítico VLSI o ULSI
Al fabricar un circuito integrado ULSI o GLSI se pueden producir numerosos fallos
que es necesario detectar antes de que se conecte con otros para constituir un sistema
complejo. El número de puntos a los que se tiene acceso desde el exterior está limitado
en la práctica y es muy útil, en general, incluir circuitos digitales adicionales o
redundantes (innecesarios desde un punto de vista funcional) para facilitar la
verificación, y aumentar en un número pequeño los terminales de entrada y salida por
encima de los estrictamente necesarios desde el punto de vista operativo. Esto sólo ha
sido posible gracias al abaratamiento del sistema físico (hardware) propiciado por la
elevación de la capacidad de integración.
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BREVE HISTORIA Y DESCRIPCIÓN DE JTAG
Conceptos más importantes ligados a la verificación de los sistemas
digitales complejos
Controlabilidad (Controllability)
Capacidad para fijar el estado de cualquiera de los nodos internos de un sistema a partir
de los valores de las entradas, es decir, sin necesidad de tener acceso directo al nodo.
Observabilidad (Observability)
Capacidad para conocer el estado de uno cualquiera de los nodos internos de un sistema
mediante la observación de las salidas operativas, es decir, sin necesidad de tener acceso
directo al nodo.
Factor clave: Elección de los puntos que se deben controlar u observar en un circuito
para maximizar la probabilidad de detección de errores al comprobar su correcto
funcionamiento. Depende de las características particulares de cada sistema, de la
aplicación a que se destina el mismo y de las posibles fuentes externas de errores.
En el caso de los circuitos digitales configurables hay que comprobar la programación de
los elementos que establecen la configuración.
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BREVE HISTORIA Y DESCRIPCIÓN DE JTAG
Técnicas para realizar la verificación de un sistema digital complejo
- Verificación estática, activa o no concurrente (Testing)
- Verificación dinámica, pasiva o concurrente (Checking)
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BREVE HISTORIA Y DESCRIPCIÓN DE JTAG
Verificación estática, activa o no concurrente (Testing)
Se puede efectuar de dos formas diferentes con el sistema fuera de servicio:
- Directamente sobre un prototipo. Solo válido para sistemas sencillos.
- Indirectamente, sobre un modelo descriptivo de su comportamiento utilizando
un simulador del mismo.
La simulación se utiliza durante el proceso de diseño de un sistema digital complejo que
se pretende realizar mediante un circuito digital a medida o mediante un circuito digital
configurable.
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BREVE HISTORIA Y DESCRIPCIÓN DE JTAG
Verificación dinámica, pasiva o concurrente (Checking)
Se puede denominar en español comprobación o prueba. Se lleva a cabo de forma
simultánea con la operación del sistema o sin desconectarlo del entorno en el que
funciona normalmente, lo que constituye una de sus principales ventajas. Para
realizarla se compara el comportamiento del sistema con un modelo abstracto del
mismo.
Presenta el inconveniente de que no permite detectar fallos latentes, que son los que
están presentes en el sistema en un momento dado sin haber producido todavía un
efecto detectable. Los fallos latentes no se detectan hasta que el funcionamiento normal
del sistema propaga sus efectos hasta la salida, es decir hasta que se produce un error.
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BREVE HISTORIA Y DESCRIPCIÓN DE JTAG
El interés por reducir los costes de la verificación de los sistemas digitales complejos,
en especial cuando están realizados en un circuito integrado monolítico, dio como
resultado el concepto de verificabilidad (Testability).
Verificabilidad
Facilidad para desarrollar una secuencia de pruebas que comprueben el
funcionamiento de un sistema mediante el aislamiento de fallos en componentes o
subsistemas.
Debe ser tenida en cuenta desde el momento en que se inicia la concepción de un
sistema digital complejo, porque su coste y su complejidad aumentan a medida que
se retrasa su consideración dentro del proceso de diseño. Esto motivó el desarrollo
de técnicas de:
Diseño orientado a la verificabilidad
Conjunto de técnicas, conocidas bajo la denominación DFT (Design for
Testability) cuyo objetivo es añadir a un sistema digital complejo, durante la
fase de diseño, un conjunto de características especiales para facilitar su verificación
externa o su autoverificación.
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BREVE HISTORIA Y DESCRIPCIÓN DE JTAG
Diseño orientado a la verificabilidad DFT (Design For Testability)
-Está ligado a la redundancia (redundancy). Una parte de un sistema es redundante
cuando está formada por elementos que son innecesarios desde el punto de vista
estrictamente funcional.
- Comenzó en la década de 1970, al alcanzarse la gran escala de integración (LSI),
con el establecimiento de diversas técnicas experimentales por parte de diseñadores
de sistemas digitales pertenecientes a las empresas y universidades, en general
norteamericanas, más activas en el área de diseño de sistemas digitales
- Se pueden aplicar tanto a la verificación externa como a la autoverificación, y en el
caso de la primera pueden ser específicas o estructuradas.
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BREVE HISTORIA Y DESCRIPCIÓN DE JTAG
DFT estructuradas para la verificación externa
Técnicas de aplicación general consistentes en añadir elementos de forma sistemática
para lograr un elevado grado de verificabilidad. Su evolución es el resultado de las
actividades de desarrollo tecnológico realizadas por los principales fabricantes de
procesadores digitales que fueron posibles gracias a la elevación de la capacidad de
integración a partir de mediados de la década de 1970.
La más utilizada de las primeras técnicas :
Técnica del camino de exploración (Scan path technique)
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BREVE HISTORIA Y DESCRIPCIÓN DE JTAG
Sistema secuencial síncrono que
utiliza la técnica del camino
de exploración
(Scan
m
p
Variables de entrada
Variables de salida
CIRCUITO
Path Technique)
COMBINACIONAL
n
MUX
Entrada de selección
f. normal/exploración
MUX
G1
1
MUX
G1
1
Entrada de
exploración
n
1D
Q1
G1
1
1
1D
1
Q2
1
1D
C1
C1
C1
R
R
R
Qn
Salida de
exploración
Impulsos de
reloj
Entrada de
puesta a cero
n
La técnica del camino de exploración es difícil de aplicar en los sistemas digitales
complejos que contienen gran cantidad de registros repartidos espacialmente,
porque hay que enlazarlos entre sí para tener acceso a todos ellos.
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BREVE HISTORIA Y DESCRIPCIÓN DE JTAG
NACIMIENTO DE JTAG
Los inconvenientes de la técnica del camino de exploración hizo que en 1985
varias empresas europeas y norteamericanas llegasen a un acuerdo para
desarrollar una técnica normalizada que pudiese ser aceptada por todos y
aplicable a cualquier tipo de sistema digital tanto si está formado por un solo
circuito integrado como por varios colocados en una placa de circuito impreso.
Para ello formaron un grupo de trabajo denominado "Joint Test Action
Group"(JTAG) que desarrolló un sistema orientado a la verificación externa,
que fue finalmente aceptado por el IEEE en 1990 bajo la norma IEEE 1149.11990 denominada también norma de exploración periférica (Boundary Scan
Standard) [IEEE 94].
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BREVE HISTORIA Y DESCRIPCIÓN DE JTAG
Técnica de exploración periférica
Está inspirada en la técnica del camino de exploración.
Consiste, básicamente, en dotar al sistema que se
quiere verificar, de un conjunto de celdas conectadas
entre sí y situadas entre los puntos de verificación
adecuados del mismo y los terminales de entrada y
salida. Dichas celdas reciben el nombre de celdas de
exploración periférica (Boundary Scan Cells)
por estar situadas en la periferia del sistema digital
objeto de verificación y deben ser capaces de realizar
las siguientes funciones:
•Si se trata de una celda de entrada debe permitir que
el estado de un terminal de entrada se presente en el
punto correspondiente del sistema.
•Si se trata de una celda de salida debe permitir que el
estado de un nodo del sistema a verificar pueda
aparecer en el terminal de salida correspondiente.
•Hacer que el estado de una celda se pueda desplazar a
la celda siguiente y recibir el estado de la celda
precedente. De esta forma el conjunto de celdas
constituye un registro de desplazamiento.
CIRCUITO INTEGRADO
Celda de exploración
periférica
SISTEMA
DIGITAL
COMPLEJO
Entrada de datos de
verificación (TDI)
Salida de datos de
verificación (TDO)
Circuito integrado que contiene un sistema digital
complejo y recursos lógicos básicos de verificación
mediante exploración periférica (Boundary Scan)
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El conjunto de los biestables B1 de las diferentes celdas de exploración periférica forma un registro de desplazamiento que recibe la denominación de registro de exploración
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FPGA (Field Programmable Gate Array)
BREVE HISTORIA Y DESCRIPCIÓN DE JTAG
El conjunto de los biestables B1 de las diferentes celdas de exploración
periférica forma un registro de desplazamiento que recibe la denominación de
registro de exploración periférica (Boundary Scan Register).
MUX1
Salida de exploración
( Scan Out
MUX
)
G1
Señal de entrada
procedente
del circuito en prueba
1
MUX2
1
MUX
G1
B1
1
1D
Señal de salida
que se aplica
al circuito en prueba
B2
Q
1D
Q
1
C1
Variable de
Entrada de
entrada/
exploración
desplazamiento
( Scan
Reloj de
desplazamiento
C1
Reloj
Variable
auxiliar
de modo
In)
Esquema de la celda utilizada en la técnica de verificación mediante exploración periférica
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BREVE HISTORIA Y DESCRIPCIÓN DE JTAG
Para reducir al mínimo los terminales del
circuito integrado dedicados a las funciones de
verificación, JTAG combina cuatro señales con
un circuito digital que constituye un procesador
de verificación. Dichas señales constituyen el
puerto de acceso a la verificación TAP (Test
Access Port) y son:
-Entrada de datos de verificación TDI (Test
Data Input)
A través de ella se introducen las instrucciones
de verificación así como los vectores de estímulo
y los resultados de la verificación del sistema
digital precedente. Es la entrada de exploración
de la primera celda de exploración periférica.
-Salida de datos de verificación TDO (Test
Data Output)
A través ella salen los resultados de la
verificación procedentes de las celdas de
exploración periférica.
Circuito integrado que contiene recursos lógicos de
verificación mediante exploración periférica
CIRCUITO INTEGRADO
Celda de exploración
periférica
SISTEMA
DIGITAL
COMPLEJO
TCK
TMS
- Señal de reloj de verificación TCK (Test Clock Input)
PROCESADOR
DE
VERIFICACIÓN
TDI
TDO
- Entrada de selección del modo de verificación TMS (Test Mode Select)
Indica al procesador de verificación el modo en el que debe funcionar. El estado cero corresponde al modo de
verificación y el uno al de funcionamiento normal y si el estado uno se mantiene durante al menos cinco impulsos
de reloj se reinicializa el procesador de verificación.
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BREVE HISTORIA Y DESCRIPCIÓN DE JTAG
Elementos mínimos del procesador de verificación
- El controlador de la verificación (TAP Controller) que es un sistema secuencial síncrono que recibe las señales TCK
y TMS y genera las distintas señales de control de los restantes elementos.
- El registro de instrucción (Instruction Register) que recibe la información de la forma de llevar a cabo la
verificación a través de la entrada de datos de verificación TDI.
- El registro de anulación de la exploración (Bypass Register) que permite enviar los datos de verificación desde TDI
hasta TDO sin necesidad de que pasen a través del registro de exploración periférica (Boundary Scan Register).
- Los multiplexores MUX1 y MUX2 que permiten seleccionar cual es el registro cuya información se presenta en la
salida de datos de verificación TDO.
Terminales de
entrada/salida
Registro de exploración periférica
(Boundary Scan Register)
MUX1
MUX
G1
1
Entrada de datos de
verificación (TDI)
Registro de anulación de la exploración
(ByPass register)
1
MUX2
MUX
G1
1
1
Decodificación
1
1D
C1
∇
EN
Registro de instrucción
(Instruction register)
Reloj de
verificación (TCK)
Modo de
verificación (TMS)
CONTROLADOR DE
VERIFICACIÓN
PERIFÉRICA
(TAP CONTROLLER)
PROCESADOR DE VERIFICACIÓN
Salida de datos
de verificación
(TDO)
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FPGA (Field Programmable Gate Array)
CONFIGURACIÓN DE LAS FPGA
Boundary Scan (JTAG)DE LAS FPGA SPARTAN-IIE
Spartan-IIE devices support all the mandatory boundary-scan instructions
specified in the IEEE standard 1149.1.
A Test Access Port (TAP) and registers are provided that implement the
EXTEST, INTEST, SAMPLE/PRELOAD, BYPASS, IDCODE, and HIGHZ
instructions.
The TAP also supports two USERCODE instructions, internal scan chains, and
configuration/readback of the device.
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FPGA (Field Programmable Gate Array)
CONFIGURACIÓN DE LAS FPGA
Circuito JTAG de la FPGA SPARTAN II
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