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Universidad Antonio de Nebrija
Tecnología electrónica I. Tema 5
5. Metodologías de diseño de un ASIC
5.1. Introducción
5.2. Gate Arrays
5.3. Standard Cells
5.4. Seas of Gates
5.5. Dispositivos programables FPGAs
Dispositivos programables
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Tecnología electrónica I. Tema 5
El diseño de circuitos integrados con las metodologías
anteriores puede resultar muy caro si lo que se quiere son
pocas unidades, para ello existen los dispositivos
programables por el usuario (como las PLA).
Estos dispositivos son muy cómodos para la realización de
prototipos, que una vez validados pueden fabricarse por
medio de otra metodología.
Otra utilidad muy importante de estos dispositivos es la
educación.
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Dispositivos programables
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Tecnología electrónica I. Tema 5
Existen muchos dispositivos programables y muchos
métodos de programación, pero la arquitectura común de
todos ellos es la siguiente:
• Módulos programables
• Conexiones programables
Modulo 1
(programable)
Modulo 2
(programable)
Modulo n
(programable)
Conexiones programables
Field Programmable Gate Arrays
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Es uno de los dispositivos más utilizados, su estructura es
la siguiente:
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
E/S
Cada uno de los cruces de líneas es programable
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Field Programmable Gate Arrays
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Características:
• Cada módulo es programable, sea módulo de E/S o
módulo interno.
• Contiene un número elevado de módulos internos,
que son módulos simples, capaces de realizar
primitivas lógicas simples o biestables.
• Los cruces de líneas son programables: podemos
programar su conexión
Otros dispositivos programables: PLD
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PLD: Programmable logic device. Su estructura es la
siguiente:
Entradas de control
(CLK, RESET, ...)
E/S
E/S
E/S
FSM
FSM
FSM
FSM
Conexiones
programables
E/S
FSM
E/S
FSM
E/S
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Otros dispositivos programables: PLD
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Características:
• Cada módulo es programable, sea módulo de E/S o
módulo interno.
• Contiene un número pequeño de módulos internos,
que son módulos complejos: FSM (Finite State
Machine), cada uno de ellos podría ser una máquina
de estados.
• Existe una zona donde se programan las conexiones.
Comparación FPGA vs PLD
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FPGA
PLD
Módulos
programables
Nº elevado de
módulos simples
Nº reducido de
módulos complejos
Conexiones
programables
Distribuidas
Centralizadas
Aplicación
Diseño lógico
basado en puertas
y biestables
Síntesis de
máquinas de
estados
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Elección de la metodología
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Nº de puertas
1.000.000
ASIC
ASIC
100.000
GA
GA
SG
SG
SC
SC
FPGA
FPGA
10.000
1.000
100
10
PAL
PAL
Comp.
discretos
10
100
1.000 10.000
Nº de unidades
Programación
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Módulos programables simples:
• Número reducido de E/S
• Permiten hacer un conjunto de funciones con esas
variables, pero no todas las posibles
• Pueden incluir biestables
• La programación se hace por medio de variables de
control
X1
X2
f
X4
Y1 Y2
Y8
Dependiendo de los
valores de las Y el
resultado de la función
será distinto
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Programación
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Módulos programables simples, ejemplo
X1
X2
X3
CALCULO DE
TODAS LAS
POSIBLES
SALIDAS
SELECCIÓN
DE LA
SALIDA
f
X4
Y1
Y2
Programación
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Módulos programables simples. Estructura
X
MODULO
f
Y
MEMORIA
(PROGRAMABLE)
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Programación
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Máquinas de estado programables
E
CIRCUITO COMBINACIONAL
PROGRAMABLE
S
REGISTRO
CLK
El circuito combinacional suele ser una red PLA
Tecnologías de programación
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Formas de establecer conexiones y puntos de memoria:
• Conexiones con fusibles o antifusibles (PLA), no
reprogramables (PROM).
• Conexiones y puntos de memoria no volátiles. Con
transistores MOS de puerta flotante. Reprogramables
(FPGA, EPROM, E2PROM)
• Conexiones y puntos de memoria volátiles (RAM). El
circuito se puede reprogramar en tiempo “de
ejecución”
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Tecnologías de programación
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FUSIBLE
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ANTIFUSIBLE
Conexión y punto de memoria con MOS de puerta flotante
Transistor nMOS de puerta flotante
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Transistor nMOS de puerta flotante
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Funcionamiento:
Si se aplica una tensión alta en la puerta (Vpp) y una tensión un poco
menor en el drenador, existirá un flujo de electrones desde la fuente al
drenador. Los electrones adquieren una energía cinética y su
trayectoria se ve alterada por el campo eléctrico en la zona del canal,
por la elevada tensión en la puerta (12-13 V).
Los electrones que consiguen una energía superior a 3.2eV son
capaces de atravesar el aislante y se quedan atrapados en la puerta
flotante.
El resultado es un transistor con una elevada tensión umbral.
Transistor nMOS de puerta flotante
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Transistor nMOS de puerta flotante
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El transistor de puerta flotante se utiliza en EPROM y EEPROM. Dentro
de estas últimas se encuentra la memoria Flash, ampliamente utilizada
en la actualidad (CompactFlash, SmartMedia, Memory Stick,
PCMCIA...)
Tecnologías de programación
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Conexión y punto de memoria volátil
DATA
WRITE
CONNECT
S
D
Q
EN
Q
/Q
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Anexo: tipos de memorias RAM
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SRAM: Static Random Access memory, utiliza varios transistores
(tipicamente seis) apra cada celda de memoria, pero no tiene un
condensador en cada celda. Se utiliza para la cache, porque es más
rápida.
DRAM: Dynamic Random Access Memory, tiene celdas de memoria
con un transistor y un condensador acoplados necesitando continuo
refresco.
FPM DRAM Fast Page Mode DRAM. Espera a finalizar el proceso de
localización del dato y lectura para empezar con el siguiente dato.
Tasa de transferencia máxima 176 Mbps.
EDO DRAM: Extended data-out DRAM. No espera hasta el final, una
vez se lacaliza la dirección de un bit, se pasa al siguiente. Tasa de
transferencia máxima 264 Mbps.
Anexo: tipos de memorias RAM
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SDRAM: Syncronous DRAM: Espera en la fila leyendo bits
consecutivos, moviendose rápidamente por las columnas.
Normalmente cuando se accede a la memoria, los datos que se piden
suelen estar en secuencia. Tasa de transferencia máxima 528 Mbps.
DDR SDRAM: Double Data Rate SDRAM: Tiene un mayor ancho de
banda que la SDRAM, por lo que va al doble de velocidad. Tasa de
transferencia máxima 1064 Mbps.
CMOS RAM: Es un término que especifica la pequeña cantidad de
memoria usada por los dispositivos para recordar ciertas cosas, como
los parámetros de configuración de un disco duro. Es necesario que
haya una pila para mantener esa memoria.
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