Arquitecturas de Dispositivos Lógicos Programables y Fundamentos de VHDL

Tipos de Circuitos Integrados y Metodologías de Diseño

Redes de Puertas (Gate Arrays)

Consisten en una matriz de transistores o puertas lógicas elementales integrados sobre el chip, a excepción de un último proceso de metalización que efectúa las conexiones eléctricas entre ellos.

• Ventajas: Para diseñarlo solo hay que estudiar las interconexiones de los elementos. Presentan bajos costes de desarrollo y diseño.

Células Estándar (Standard Cells)

El circuito integrado se diseña a base de células estándar (propias de cada fabricante). Cada celda tiene un circuito lógico personalizado.

Para su diseño asistido por ordenador (CAD), se eligen las células disponibles en la librería del fabricante, se posicionan sobre la superficie del chip y se interconectan.

Dispositivos Lógicos Programables (PLD)

Los Dispositivos Lógicos Programables (PLD) son circuitos integrados parcialmente configurables por el usuario final, capaces de realizar una determinada función lógica. Se configuran mediante herramientas de software intuitivas y fáciles de usar.

• Matriz programable: Red de conductores distribuidos en filas y columnas con un fusible en cada punto de conexión.

Arquitecturas Básicas de PLDs

• PROM (Memoria programable de solo lectura): Matriz AND fija y matriz OR programable. Cada entrada duplica el tamaño de la matriz. Presenta un tiempo de conmutación alto y combinaciones de E/S rígidas, lo que puede derivar en un desperdicio de fusibles.
• PAL (Matriz lógica programable): Matriz AND programable y matriz OR fija. Las ecuaciones se definen en forma de suma de productos. No dispone de todos los términos producto, pero es más flexible que la PROM.
• FPLA (Matriz lógica programable en campo): Matriz AND y OR programables. Ofrece un tiempo de conmutación superior (más lento) que la anterior, pero es más flexible. No dispone de todos los términos de producto.

Introducción al Lenguaje VHDL

El VHDL es un lenguaje diseñado para describir la funcionalidad y la estructura de sistemas de hardware. Existen dos enfoques principales para la descripción:

• a) Estructural: Define los componentes y su interconexión.
• b) Funcional: Define el comportamiento del sistema sin necesidad de conocer su estructura interna.

Tipos de Puertos (Modos)

• in: Modo de lectura.
• out: Modo de escritura.
• inout: Permite tanto la lectura como la escritura.
• buffer: Similar a inout, utilizado para la realimentación de señales de salida.

Ejemplo de dispositivo comercial: C22V10 (PALCE22V10-25PC/PI).

Operadores Lógicos Fundamentales

• AND: Resultado 1 si ambas entradas son 1.
• OR: Resultado 1 si al menos una entrada es 1.
• XOR: Resultado 1 si las entradas son distintas.
• NOT: Invierte el valor de la entrada.
• NAND: Resultado 1 si hay al menos un 0 en la entrada.
• NOR: Resultado 1 solo si ambas entradas son 0.

Estructura de Diseño en VHDL

Entidades (Entities)

Las entidades describen la conexión del circuito con el exterior.

entity funcion is
  port (
    a, b: in bit;
    f_and: out bit
  );
end funcion;

Arquitectura (Architecture)

Representa las unidades descritas por VHDL para definir el funcionamiento interno del sistema.

architecture arch_funcion of funcion is
begin
  f_and <= a and b;
end arch_funcion;

Formatos de Archivo Comunes

• .jed (JEDEC): Describe los circuitos eléctricos y contiene notas para la programación física del dispositivo.
• .rpt: Informe de síntesis que permite leer las entradas y notas del proceso de diseño.