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Dispositivos lógicos programáveis (pld, pal, pla) APRESENTAÇÃO Seja bem-vindo! Os dispositivos lógicos programáveis (PLDs) consistem em componentes formados por várias portas lógicas, sendo possível a elaboração de lógicas digitais para uma determinada aplicação utilizando-se apenas um circuito integrado (CI) em vez de vários CIs de portas lógicas separadas. Nesta Unidade de Aprendizagem, você conhecerá características dos PLDs de forma a diferenciar seus dois tipos. Além disso, vai conhecer seus circuitos internos e seu funcionamento geral. Bons estudos. Ao final desta Unidade de Aprendizagem, você deve apresentar os seguintes aprendizados: Diferenciar os tipos de dispositivos lógicos programável.• Descrever a arquitetura básica dos tipos de PLDs.• Explicar a estrutura básica de um arranjo lógico programável.• DESAFIO Você foi contratado para a determinação de um circuito lógico para o acionamento de uma esteira transportadora de minério. Sabe-se que nesta esteira, eventualmente, é necessária sua reprogramação para atender a demanda produtiva. Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino! Defina qual dispositivo lógico programável (PLD) é necessário para a aplicação e quantas entradas e quantas saídas este PLD deve ter de acordo com as características descritas acima. Justifique suas decisões. INFOGRÁFICO Os dispositivos lógicos programáveis (PLDs) possibilitam o desenvolvimento e implementação de sistemas digitais combinacionais para o atendimento de aplicações diversas. Estes dispositivos podem ser aplicados substituídos, em circuitos que utilizariam vários chips de portas lógicas, por apenas um CI. No Infográfico, confira a descrição do arranjo básico de PLDs, diferenciando os tipos PAL e PLA. CONTEÚDO DO LIVRO Os dispositivos lógicos programáveis (PLDs) são constituídos de um conjunto de portas lógicas cujo arranjo pode ser determinado por meio de programação prévia. Estes dispositivos possibilitam a substituição de várias portas lógicas em um só componente, tornando-o viável pela redução do circuito eletrônico e a consequente simplificação deste. Os dispositivos PAL possibilitam somente a programação do arranjo das portas AND, já os dispositivos PLA, além disso, também possibilitam a programação do arranjo das portas OR, flexibilizando assim sua aplicação. No capítulo Dispositivos lógicos programáveis (PLD, PAL, PLA), da obra Sistemas digitais, você conhecerá as características internas e o funcionamento dos PLDs. Você também será apresentado às características que diferenciam os tipos destes dispositivos. Boa leitura. SISTEMAS DIGITAIS Diogo Braga da Costa Souza Dispositivos lógicos programáveis (PLD, PAL, PLA) Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados: Diferenciar os tipos de dispositivos lógicos programável. Descrever a arquitetura básica dos tipos de PLDs. Explicar a estrutura básica de um arranjo lógico programável. Introdução Os dispositivos lógicos programáveis consistem em componentes forma- dos por várias portas lógicas. Assim, é possível a elaboração de lógicas digitais para determinada aplicação. Neste capítulo, você conhecerá características sobre dispositivos lógicos programáveis, de forma a diferenciar os seus dois tipos. Além disso, vai conhecer os seus circuitos internos e o seu funcionamento geral. Tipos de dispositivos lógicos programáveis Para a realização de sistemas automatizados digitais, são necessárias portas lógicas, e cada associação de portas proporciona uma lógica de funciona- mento adequada a cada aplicação. Para a elaboração desses tipos de circuitos lógicos, são necessárias várias portas lógicas, em que cada chip possui um tipo de porta. Um circuito digital normalmente corresponde a diversos CIs associados, ocupando um grande espaço físico na placa. Assim, os PLDs (programmable logic device) são dispositivos que substituem os diversos CIs lógicos por apenas um chip. Esse chip pode ser constituído, por meio de seu circuito interno, por várias portas lógicas, as quais podem ser associadas de acordo com a C02_Dispositivos_programaveis.indd 1 01/06/2018 08:47:11 necessidade do usuário, por um processo de programação. O desenvolvimento desses tipos de componentes cresceu muito desde a criação do primeiro tipo de PLD, há 35 anos (TOCCI; WIDMER; MOSS, 2011). Os dispositivos lógicos programáveis são processadores digitais, isto é, o seu funcio- namento se refere a uma lógica digital programada, em que associações nas entradas das portas lógicas são estabelecidas. A diferença entre PLDs, PALs e PLAs está na possibilidade de programação dos arranjos das portas OR — que somente os dispo- sitivos PLA possuem. Dispositivo PAL Os dispositivos PAL (programmable array logic) são formados pelo arranjo de portas AND com entradas programáveis e saídas fi xas, ligados a arranjos de portas OR, conforme o esquema apresentado na Figura 1. Em geral, esse tipo de dispositivo é formado pela tecnologia de conexão por fusíveis, podendo, portanto, ser programado somente uma vez (FLOYD, 2007). Figura 1. Arranjo básico de dispositivo PAL. Fonte: Floyd (2007, p. 622). Dispositivos lógicos programáveis (PLD, PAL, PLA)2 C02_Dispositivos_programaveis.indd 2 01/06/2018 08:47:12 A Figura 1 demonstra o circuito internos dos dispositivos PAL: as ligações entre as entradas “A” e “B” são todas conectadas às entradas das portas AND; o procedimento de programação consiste no rompimento das conexões que não são necessárias. Esse tipo de circuito possibilita a construção de uma lógica pela tabela verdade, considerando os seus minitermos, já que a operação inicial é AND (FLOYD, 2007). Na Figura 2, observa-se um exemplo de utilização de um dispositivo PAL para elaboração de uma lógica XOR. Figura 2. Lógica XOR em dispositivo PAL. Fonte: Adaptada de Floyd (2007). Nota-se que as ligações que não são utilizadas são desfeitas, a fim de se obter uma lógica digital, que, para esse exemplo, foi igual a: X= A̅.B+A.B̅ Dispositivo GAL Os dispositivos GAL (generic array logic) trabalham exatamente da mesma forma que os PAL, mas com a possibilidade de reprogramação. A diferença entre os dois tipos é que, no dispositivo GAL, o CI pode ser reprogramado, devido à utilização de uma tecnologia semelhante à EEPROM, denominada 3Dispositivos lógicos programáveis (PLD, PAL, PLA) C02_Dispositivos_programaveis.indd 3 01/06/2018 08:47:12 E²CMOS (FLOYD, 2007). As chaves desse dispositivo podem ser apagadas e reprogramadas cerca de cem vezes cada uma (TOCCI; WIDMER; MOSS, 2011). A Figura 3 mostra um exemplo do arranjo de um dispositivo GAL. Figura 3. Arranjo de dispositivo GAL. Fonte: Floyd (2007, p. 623). Dispositivo PLA Os dispositivos PLA (programmable logic array) se diferenciam dos disposi- tivos PAL pela possibilidade de programação da matriz de entradas das portas OR, criando maior fl exibilidade na sua utilização. Porém, a sua aplicação entre os engenheiros não é ampla (TOCCI; WIDMER; MOSS, 2011). A Figura 4 mostra um exemplo de um arranjo de um dispositivo PLA. Dispositivos lógicos programáveis (PLD, PAL, PLA)4 C02_Dispositivos_programaveis.indd 4 01/06/2018 08:47:12 Figura 4. Exemplo de arranjo de dispositivo PLA. Fonte: Floyd (2007, p. 636). Na Figura 4, diferentemente dos dispositivos PAL, o arranjo das entradas das portas OR é programável. No exemplo, as conexões são determinadas pelo “X” entre as linhas; assim, a quantidade de conexões no circuito representa o número de entradas das portas lógicas. Esse diagrama tem como objetivo a redução de linhas no diagrama, para simplificação (FLOYD, 2007). Para saber mais sobre os dispositivos PLA e os seus tipos específicos, leia o capítulo 11 do livro Sistemas Digitais: Fundamentos e Aplicações (FLOYD, 2007). 5Dispositivos lógicos programáveis (PLD, PAL, PLA) C02_Dispositivos_programaveis.indd 5 01/06/2018 08:47:13Arquitetura de PLDs A arquitetura dos circuitos lógicos programáveis envolve a conexão de portas OR nas saídas das portas AND, sendo estas ligadas às entradas do dispositivo. O seu funcionamento ocorre da seguinte forma: qualquer estado ativado na entrada das portas OR ativará a sua respectiva saída; se nenhuma das condições estiver ativada, a respectiva saída do CI estará em nível lógico baixo. Para a aplicação de um dispositivo lógico programável, são necessárias as condições de entrada em que a saída seja ativada. Em aplicações reais, utilizam-se sensores e botões nas entradas para a inserção de informações de funcionamento no dispositivo, e lâmpadas, sirenes, válvulas nas saídas para a atuação de resposta do processamento realizado. Por exemplo, para a aplicação de um PLD que atenda às condições da tabela apresentada na Figura 5, é necessária a obtenção dos minitermos dessa tabela e a interligação somente dos argumentos referentes a eles. Figura 5. Tabela verdade condicio- nando a programação do PLD. Nota-se, na Figura 5, que as expressões dos minitermos são formadas por produtos dos argumentos de entrada — função referente às portas AND de entrada de um PLD. Para a obtenção da função final da aplicação, é necessária a soma de todos os termos levantados — função exercida pela porta OR de saída, conforme o circuito demonstrado na Figura 6. Dispositivos lógicos programáveis (PLD, PAL, PLA)6 C02_Dispositivos_programaveis.indd 6 01/06/2018 08:47:13 O circuito da Figura 6 atende aos requisitos da tabela verdade da Figura 5; é feita a soma dos quatro produtos, obtendo-se a seguinte função digital: X= A̅.B̅ .C̅ +A̅.B.C̅ +A̅.B̅ .C+A.B̅ .C Figura 6. Circuito lógico interno a um PLD de resposta à tabela verdade. Fonte: Adaptada de Floyd (2007). Diferenciação entre SPLD e CPLD Os CPLDs (complex programmable logic device) são constituídos por arranjos de SPLDs (simple programmable logic device), que, por sua vez, são cons- tituídos por PLDs simples (PAL, PLA e GAL), com poucas portas lógicas. Enquanto um SPLD tem um arranjo programável, o CPLD possui vários arranjos programáveis; as conexões entre cada arranjo são estabelecidas por programação do usuário. Cada arranjo SPLD em um CPLD é denominado LAB (logic array block), ou bloco de arranjo lógico, e as suas conexões pro- gramáveis são denominadas PIA (programmable interconnect array), ou arranjos de conexões programáveis (FLOYD, 2007). A Figura 7 apresenta um diagrama genérico de um dispositivo CPLD. 7Dispositivos lógicos programáveis (PLD, PAL, PLA) C02_Dispositivos_programaveis.indd 7 01/06/2018 08:47:13 Figura 7. Diagrama genérico de um CPLD. Fonte: Floyd (2007, p. 629). Conforme a Figura 7, cada LAB é interligado aos outros pelas vias de conexão PIA, que estabelecem a possibilidade da elaboração de dispositivos que realizem lógicas digitais extensas e complexas. As especificações desses dispositivos geralmente são feitas pela quantidade de LABs. Essa quanti- dade pode variar de dezenas a mais de 2.000 macrocélulas em apenas um chip, fazendo com que esse tipo de CI possa ter algumas centenas de pinos (FLOYD, 2007). Para mais exemplos de aplicações de dispositivos PLA, leia o capítulo 13 do livro Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações (TOCCI; WIDMER; MOSS, 2011). Dispositivos lógicos programáveis (PLD, PAL, PLA)8 C02_Dispositivos_programaveis.indd 8 01/06/2018 08:47:14 1. Em relação à caracterização geral dos dispositivos lógicos programáveis, marque a alternativa que melhor representa essa classe de dispositivos. a) Os dispositivos lógicos programáveis são constituídos de portas lógicas AND e OR, em que é possível a elaboração de lógicas digitais de soma de produtos, podendo ser utilizados em soluções por maxitermos de tabelas verdade. b) Os dispositivos lógicos programáveis são constituídos de portas lógicas NAND e NOR, em que é possível a elaboração de lógicas digitais de soma de produtos, podendo ser utilizados em soluções por maxitermos de tabelas verdade. c) Os dispositivos lógicos programáveis são constituídos de portas lógicas AND e OR, em que é possível a elaboração de lógicas digitais de soma de produtos, podendo ser utilizados em soluções por minitermos de tabelas verdade. d) Os dispositivos lógicos programáveis são constituídos de portas lógicas XNOR e XOR, em que é possível a elaboração de lógicas digitais de soma de produtos, podendo ser utilizados em soluções por minitermos de tabelas verdade. e) Os dispositivos lógicos programáveis são constituídos de portas lógicas XNOR e XOR, em que é possível a elaboração de lógicas digitais de soma de produtos, podendo ser utilizados em soluções por maxitermos de tabelas verdade. 2. Os dispositivos PAL e PLA são tipos de dispositivos lógicos programáveis, diferenciados da seguinte forma: a) Nos dispositivos PAL, tanto os arranjos de portas AND, quanto os de portas OR são programáveis; já nos PLA, somente os arranjos de portas OR são programáveis. b) Nos dispositivos PAL, somente os arranjos de portas AND são programáveis; já nos PLA, somente os arranjos de portas OR são programáveis. c) Nos dispositivos PAL, tanto os arranjos de portas AND, quanto os de portas OR são programáveis; já nos PLA, somente os arranjos de portas AND são programáveis. d) Nos dispositivos PAL, somente os arranjos de portas OR são programáveis; já nos PLA, somente os arranjos de portas AND são programáveis. e) Nos dispositivos PLA, tanto os arranjos de portas AND, quanto os de portas OR são programáveis; já nos PAL, somente os arranjos de portas AND são programáveis. 3. Os dispositivos lógicos programáveis são utilizados para substituir CIs de portas lógicas por um sistema de controle por lógica digital, o qual possui apenas um chip, com uma lógica programável. 9Dispositivos lógicos programáveis (PLD, PAL, PLA) C02_Dispositivos_programaveis.indd 9 01/06/2018 08:47:15 Sobre esse dispositivo, assinale a alternativa correta. a) Os dispositivos GAL têm funcionamento similar aos dispositivos PLA, mas com a possibilidade de reprogramações. b) Os dispositivos GAL têm funcionamento similar aos dispositivos PAL, mas com a possibilidade de reprogramações. c) Os dispositivos GAL têm funcionamento similar aos dispositivos PAL, mas com a possibilidade de arranjo das portas OR. d) Os dispositivos GAL têm funcionamento similar aos dispositivos PLA, mas com a possibilidade de arranjo das portas OR. e) Os dispositivos GAL são constituídos de vários dispositivos PLAs em apenas um CI, sendo também conhecidos como CPLD. 4. Os diagramas de PLDs suprimem linhas de conexão, para fins de simplificação do esquema e, consequentemente, melhor entendimento deste. Em relação a esses diagramas, assinale a alternativa correta. a) Quando duas ou mais entradas estão conectadas na mesma linha de entrada da porta lógica OR, isso significa que não haverá condição em que as duas estejam ativas ao mesmo tempo. b) A marcação “X” no diagrama representa a conexão intacta, onde de fato existe contato elétrico no circuito. c) A marcação “X” no diagrama representa um fusível queimado, onde não existe contato elétrico no circuito. d) Não é possível demonstrar a interligação da saída de duas portas AND nas mesmas portas OR por esse tipo de esquema. e) Quando suas ou mais entradas estão conectadas na mesma linha de entrada da porta lógica, isso significa que elas estão ligadas na mesma entrada da porta. 5. A figura representa um dispositivo PAL programado que tem a seguinte expressão digital: a) b) c) d) e) Dispositivos lógicos programáveis (PLD, PAL, PLA)10 C02_Dispositivos_programaveis.indd 10 01/06/2018 08:47:16 FLOYD, T. Sistemas digitais: fundamentos e aplicações. 9. ed. Porto Alegre: Bookman, 2007. TOCCI, R. J.; WIDMER, N. S.; MOSS, G. L. Sistemas digitais: princípios e aplicações. 11. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall,2011. Leituras recomendadas TOKHEIM, R. Fundamentos de eletrônica digital: sistemas sequenciais. Porto Alegre: McGraw-Hill, 2013. v. 2. VAHID, F. Sistemas digitais: projeto, otimização e hdls. Porto Alegre: Bookman, 2008. 11Dispositivos lógicos programáveis (PLD, PAL, PLA) C02_Dispositivos_programaveis.indd 11 01/06/2018 08:47:17 Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para esta Unidade de Aprendizagem. Na Biblioteca Virtual da Instituição, você encontra a obra na íntegra. C02_Dispositivos_programaveis.indd 12 01/06/2018 08:47:17 Conteúdo: DICA DO PROFESSOR A maioria dos dispositivos lógicos programáveis (PLDs) do tipo PAL não possibilitam a reprogramação. Para isto, em alguns casos, utiliza-se tecnologia flash, o que confere ao dispositivo maior aplicabilidade, porém com maior custo. Na Dica do Professor, você conhecerá os tipos de PLD (PAL, PLA e GAL) e as diferenças entre eles. Verá também um exemplo de CI comercial de PAL, bem como as funcionalidades de seus terminais. Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino! EXERCÍCIOS 1) Em relação à caracterização geral dos dispositivos lógicos programáveis (PLDs), marque a alternativa que melhor representa essa classe de dispositivos. A) Os dispositivos lógicos programáveis são constituídos de portas lógicas AND e OR, onde é possível a elaboração de lógicas digitais de soma de produtos, podendo ser utilizadas em soluções por maxitermos de tabelas-verdade. B) Os dispositivos lógicos programáveis são constituídos de portas lógicas NAND e NOR, onde é possível a elaboração de lógicas digitais de soma de produtos, podendo ser utilizadas em soluções por maxitermos de tabelas-verdade. C) Os dispositivos lógicos programáveis são constituídos de portas lógicas AND e OR, onde é possível a elaboração de lógicas digitais de soma de produtos, podendo ser utilizadas em soluções por minitermos de tabelas-verdade. Os dispositivos lógicos programáveis são constituídos de portas lógicas XNOR e XOR, D) onde é possível a elaboração de lógicas digitais de soma de produtos, podendo ser utilizadas em soluções por minitermos de tabelas-verdade. E) Os dispositivos lógicos programáveis são constituídos de portas lógicas XNOR e XOR, onde é possível a elaboração de lógicas digitais de soma de produtos, podendo ser utilizadas em soluções por maxitermos de tabelas-verdade. 2) Os dispositivos PAL e PLA são tipos de dispositivo lógico programável (PLD). Assinale a alternativa que os diferencia corretamente. A) Nos dispositivos PALtanto os arranjos de portas AND quanto os de portas OR são programáveis, já nos PLA somente os arranjos de portas OR são programáveis. B) Nos dispositivos PAL somente os arranjos de portas AND são programáveis, já nos PLA somente os arranjos de portas OR são programáveis. C) Nos dispositivos PAL tanto os arranjos de portas AND quanto os de portas OR são programáveis, já nos PLA somente os arranjos de portas AND são programáveis. D) Nos dispositivos PAL somente os arranjos de portas OR são programáveis, já nos PLA somente os arranjos de portas AND são programáveis. E) Nos dispositivos PLA tanto os arranjos de portas AND quanto os de portas OR são programáveis, já nos PAL somente os arranjos de portas AND são programáveis. 3) Os dispositivos lógicos programáveis (PLDs) são utilizados na substituição de circuitos integrados (CIs) de portas lógicas em um sistema de controle por lógica digital, pois este possui apenas um chip com uma lógica programável. Sobre estes dispositivos, é correto afirmar que: os dispositivos GAL têm funcionamento similar aos dispositivos PLA, mas com a A) possibilidade de reprogramação. B) os dispositivos GAL têm funcionamento similar aos dispositivos PAL, mas com a possibilidade de reprogramação. C) os dispositivos GAL têm funcionamento similar aos dispositivos PAL, mas com a possibilidade de arranjo das portas OR. D) os dispositivos GAL têm funcionamento similar aos dispositivos PLA, mas com a possibilidade de arranjo das portas OR. E) os dispositivos GAL são constituídos de vários dispositivos PLAs em apenas um CI, sendo também conhecidos como CPLD. 4) Os diagramas de dispositivos lógicos programáveis (PLDs) suprimem linhas de conexão, a fim de simplificar o esquemático e, consequentemente, melhorar o seu entendimento. Em relação a estes diagramas, é correto afirmar que: A) quando duas ou mais entradas estão conectadas na mesma linha de entrada da porta lógica OR, significa que não haverá condição em que as duas estejam ativas ao mesmo tempo. B) a marcação "X" no diagrama representa a conexão intacta, onde de fato existe contato elétrico no circuito. C) a marcação "X" no diagrama representa fusível queimado, onde não existe contato elétrico no circuito. D) não é possível a demonstração da interligação da saída de duas portas AND na mesma porta OR por este tipo de esquemático. duas ou mais entradas conectadas na mesma linha de entrada da porta lógica significa que E) estas estão ligadas na mesma entrada da porta. 5) A figura da questão representa um dispositivo PAL programado que tem a seguinte expressão digital: A) B) C) D) E) NA PRÁTICA Joana é engenheira eletricista de uma empresa especializada em projetos e instalações de sistemas automatizados. Ela foi designada para a instalação de um sistema de um portão eletrônico para o setor de logística da empresa contratante. Percebendo a necessidade de um sistema de controle digital, Joana sugere a aplicação de um dispositivo SPLD para o controle do acionamento do portão. Para a determinação do funcionamento do portão, Joana levanta as seguintes possíveis condições: - Existem quatro entradas para comandos do portão: Um botão abre portão B1, um botão fecha portão B2, um sensor de portão aberto S1 e um sensor de portão fechado S2. - Existem duas saídas para o sistema: uma para abrir o portão O1 e outra para fechá-lo O2. - Para a abertura do portão é necessário que o botão de abertura seja pressionado e que o sensor de portão aberto não esteja ativo. - Para o fechamento do portão é necessário que o botão de fechamento seja pressionado e que o sensor de portão fechado não esteja ativo. - Em caso de erro nos sensores em que os dois ficaram ativos juntos, o portão deve parar. - Em caso de os dois botões serem pressionados juntos, o portão deverá parar. Com as informações de funcionamento, ela monta a seguinte tabela-verdade e programa o PLD conforme o respectivo funcionamento: SAIBA + Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto, veja abaixo as sugestões do professor: Determinação das características e do funcionamento básico dos dispositivos lógicos programáveis (PLDs) Confira no vídeo mais informações sobre as características e o funcionamento dos PLDs. Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino! Projetos de circuitos digitais por mintermos da tabela-verdade Confira o vídeo para compreender melhor a construção de lógicas em PLDs. Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino! Expressões booleanas, circuitos lógicos e tabela-verdade Confira no vídeo a construção das lógicas combinacionais que podem ser substituídas por PLDs. Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino!
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