CARACTERISTICAS DE DISPOSITIVOS LOGICOS PROGRAMABLES

2. CARACTERÍSTICAS DEL DISEÑO CON PLDs

Los PLDs están situados en una zona intermedia entre los dispositivos a medida y la lógica de catálogo formada por los CI de función fija. Tienen casi todas las ventajas de los ASICs sin estar penalizados por un costo elevado para pequeñas series. Además el ciclo de diseño con PLDs es mucho más rápido que los de las matrices de puertas o las células normalizadas. En determinadas aplicaciones, un PLD puede sustituir desde unos pocos hasta unas decenas de CI de función fija, mientras que los grandes ASICs pueden sustituir a cientos e incluso miles de CI. En ocasiones, los PLD se utilizan para realizar prototipos que posteriormente se llevarán a un ASIC más complejo.

El trabajo con PLDs proporciona: facilidad de diseño, prestaciones, fiabilidad, economía y seguridad.

2.1. Facilidad de diseño

Las herramientas de soporte al diseño con PLDs facilitan enormemente este proceso. Las hojas de codificación que se utilizaban en 1975 han dejado paso a los ensambladores y compiladores de lógica programable (PALASM, AMAZE, ABEL, CUPL, OrCAD/PLD, etc.). Estas nuevas herramientas permiten expresar la lógica de los circuitos utilizando formas variadas de entrada tales como; ecuaciones, tablas de verdad, procedimientos para máquinas de estados, esquemas, etc. La simulación digital posibilita la depuración de los diseños antes de la programación de los dispositivos. Todo el equipo de diseño se reduce a un software de bajo coste que corre en un PC, y a un programador.

2.2. Prestaciones.

Los PLDs TTL que hay en el mercado tienen tiempos de conmutación tan rápidos como los circuitos integrados de función fija más veloces. Los PLDs ECL son todavía más rápidos. Sin embargo, el incremento de velocidad obtenido con los dispositivos CMOS, que ya han igualado o superado en prestaciones a los dispositivos TTL, está provocando el abandono de la tecnología bipolar por parte de los fabricantes. En cuanto al consumo de potencia, los PLDs generalmente consumen menos que el conjunto de chips a los que reemplazan.

2.3. Fiabilidad.

Cuanto más complejo es un circuito, más probabilidades hay de que alguna de sus partes falle. Puesto que los PLDs reducen el número de chips en los sistemas, la probabilidad de un fallo disminuye. Los circuitos impresos con menor densidad de CI son más fáciles de construir y más fiables. Las fuentes de ruido también se reducen.

2.4. Economía.

En este apartado, hay aspectos que resultan difíciles de cuantificar. Por ejemplo, los costes de pérdida de mercado por una introducción tardía de un producto. Otros son más claros, por ejemplo, la reducción del área de las placas de circuito impreso obtenida gracias a que cada PLD sustituye a varios circuitos integrados de función fija. Muchas veces se consigue reducir el número de placas de circuito impreso economizándose en conectores. La reducción de artículos en almacén también aporta ventajas económicas.

De la misma manera que para altos volúmenes de producción las memorias ROM resultan de menor coste que las EPROM, las HAL (Hard Array Logic) o PLDs programados por el fabricante proporcionan ahorros adicionales en grandes cantidades.

2.5. Seguridad.

Los PLDs tienen fusibles de seguridad que impiden la lectura de los dispositivos programados, protegiendo los diseños frente a copias.

Además de los puntos mencionados, podemos añadir que los PLDs facilitan el ruteado de las placas de circulo impreso debido a la libertad de asignación de patillas que proporcionan. Permiten realizar modificaciones posteriores del diseño y en ocasiones hacen posible la reutilización de circuitos impresos con algunos fallos, mediante una reasignación de los PLDs.

3. ARQUITECTURAS DE LOS DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES (PLDs).

Existen en la actualidad infinidad de arquitecturas diferentes de PLDs y su número se incrementa día a día. Aunque resulta casi imposible hacer una referencia completa de todos los tipos de PLDs en el mercado, en este trabajo sólo se presentarán algunas de las más comunes y una amplia lista de las distintas PLDs que podemos encontrar en el mercado.

3.1. CLASES DE PLDs.

Ya que generalmente los PLDs disponen de muchas entradas y resultaría muy complicado mostrarlas en un dibujo, se utiliza una representación simplificada, según la cual, para las puertas AND sólo se dibuja una línea de entrada llamada línea producto. Esta línea se cruza con dos líneas por cada entrada (entrada directa y entrada invertida), pudiendo existir un fusible en cada intersección. Aunque sólo se dibuja una línea de entrada por cada puerta AND, en realidad esta puerta tiene tantas entradas como intersecciones de la línea producto. Si en una intersección hay una X, significa que el fusible está intacto; sí no hay una X, el fusible esta fundido y no existe la conexión. En ocasiones, las puertas OR también se dibujan con una sola entrada.

En el diagrama simplificado de la figura 3.1.1 aparece una matriz de puertas AND de seis entradas, cuyas salidas están conectadas a una puerta OR. La intersección de las líneas producto con las líneas de entrada forman una matriz de puertas AND programable de 6x3 fusibles. El circuito está programado para realizar la función OR -exclusiva entre las entradas A y B-. La puerta AND inferior está marcada con una X. Significa que todos sus fusibles están intactos y que su salida es 0. Cuando se funden todos los fusibles de una línea producto, la salida de la puerta AND asociada es 1.

PAL (Programmable Array Logic). También llamados PLAs, son un tipo de PLDs en las que se pueden programar las uniones en la matriz de puertas AND, siendo fijas las uniones en la matriz de puertas OR (Figura 3.1.2). Los dispositivos con arquitectura PAL son los más populares y los más utilizados, razón ésta por la que dedicamos el siguiente capítulo, para analizarlos más a fondo.

FPLA (Field Programmable Logic Array). Es un PLD en el que se pueden programar las uniones en ambas matrices (Figura 3.1.3). Son los dispositivos más flexibles, pero resultan penalizados en tamaño y en velocidad debido a los transistores adicionales en la matriz de puertas OR. Se utilizan fundamentalmente para construir máquinas de estados. Para otras aplicaciones, las PAL resultan más efectivas. Las PAL y las FPLA son sistemas combinacionales incompletos porque teniendo n entradas, disponen de menos de 2n términos producto.

PROM (Programmable Read Only Memory). 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 (véase Figura 3.1.4). Una PROM es un sistema combinacional completo que permite realizar cualquier función lógica con las n variables de entrada, ya que dispone de 2n términos productos. Están muy bien adaptadas para aplicaciones tales como: tablas, generadores de caracteres, convertidores de códigos, etc. Generalmente las PROM tienen menos entradas que las PAL y FPLA. Se pueden encontrar PROM con capacidades potencia de 2, que van desde las 32 hasta las 8192 palabras de 4, 8 o 16 bit de ancho.

3.2. CONSUMO DE CORRIENTE EN LOS PLDs.

En la fabricación de PLDs se utiliza tecnología bipolar TTL o ECL y tecnología CMOS. Los dispositivos bipolares son más rápidos y consumen más que los dispositivos CMOS. Actualmente los PLDs bipolares presentan retardos de propagación inferiores a 7 nsg y los consumos típicos rondan los 100-200 mA para un chip con 20-24 patillas.

Mientras los PLDs bipolares sólo pueden programarse una vez, la mayoría de los PLDs CMOS son reprogramables y permiten una fácil verificación por parte del usuario. A los PLDs CMOS borrables por radiación ultravioleta se les denomina EPLD y a los borrables eléctricamente se les conoce por EEPLD. Los EEPLD con encapsulados de plástico son más baratos que los EPLD provistos de ventanas de cuarzo que obligan a utilizar encapsulados cerámicos.

También existen las PALCE16V8Q (Quarter Power Icc = 55 mA) y las PALCE16V8Z (Zero Power) con un bajísimo consumo estático de potencia.

Acostumbrados a trabajar con dispositivos CMOS con un consumo prácticamente nulo a frecuencia cero, resulta sorprendente una PAL CMOS con un consumo de 90 mA a la máxima frecuencia de operación (15 Mhz), pero que todavía tendrá un consumo apreciable a frecuencia cero. En la actualidad, solamente una pequeña fracción de los PLDs del mercado se anuncian como Zero Power.

La razón de estos consumos reside en que no existe una célula de memoria EPROM o EEPROM que sea verdaderamente CMOS. La mayoría de los PLDs CMOS se construyen con un núcleo programable de transistores N-MOS, y solamente las entradas y las salidas del PLD utilizan drivers CMOS. La matriz de transistores NMOS precisa de una alimentación continua (Figura 3.2.1), para poder responder con rapidez.

Para rebajar los consumos de la matriz de transistores NMOS se utilizan dos técnicas.

La primera de ellas consiste en dotar al PLD de una patilla o fusible de control de consumo de potencia (patilla o fusible Power Down), que quita la alimentación a la matriz de transistores cuando el PLD se encuentra fuera de servicio, proporcionando un menor consumo de potencia. Tiene los inconvenientes de que la puesta en funcionamiento del PLD es más lenta.

La segunda técnica (Figura 3.2.2) coloca en las entradas de los PLDs unos detectores de transición de estado, que conectan la alimentación a la matriz de transistores durante un breve instante de tiempo después de que una entrada haya cambiado. Este tiempo deberá permitir el cambio de las salidas y su almacenamiento en latches, tras lo cual se puede quitar de nuevo la alimentación a la matriz de transistores.

El detector de transición de estado de las entradas se obtiene metiendo a las dos entradas de una puerta OR-exclusiva el estado de una patilla de entrada y el estado de esa misma patilla demorada un tiempo. El tiempo de demora de las patillas de entrada será igual al tiempo durante el cual se mantendrá la alimentación a la matriz de transistores. Los detectores de transición de las entradas y los latches de las salidas se mantienen constantemente alimentados. El consumo de corriente de los PLDs que utilizan esta segunda técnica aumenta lógicamente si se incrementa la frecuencia de cambio de las entradas.

3.3. Cómo se catalogan los PLDs.

Si consultamos las hojas de datos de una PALCE16V8H-20, encontramos claves que permiten extraer valiosa información del nombre del dispositivo. La información incluida en el nombre nos indica: