Dispositivos Lógicos Programáveis

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Gabriel P. Silva1
DispositivosDispositivos
Lógicos Lógicos 
ProgramáveisProgramáveis
Circuitos LógicosCircuitos Lógicos
DCC-IM/UFRJ 
Prof. Gabriel P. Silva
©2009
Gabriel P. Silva2
Família de Sistemas Digitais
Gabriel P. Silva3
Comparação: Velocidade e Consumo
Lógica
Discreta
CPLD
FPGA
ASIC 
Estruturado
ASIC
Célula-Padrão
VLSI
Personalizado
Alta Velocidade
Baixo Consumo
Gabriel P. Silva4
Dispositivos Lógicos Programáveis 
(PLD)
• Tipos:
– PLA
– PAL
– CPLD
– FPGA
– ASICs
– Gate Array
• Aplicações de CPLDs, FPGAs e Gate Arrays
Gabriel P. Silva5
Dispositivos Lógicos Programáveis 
(PLD)
• O que é um PLD ?
– R: Sigla de “Programmable Logic Device”
– R: É um circuito integrado que pode conter 
grande quantidade de circuitos lógicos, com 
uma estrutura que não é fixa.
– R: É um tipo de integrado que contém 
circuitos lógicos e chaves programáveis cujas 
funções são definidas pelo usuário.
Gabriel P. Silva6
Dispositivos Lógicos Programáveis 
(PLD)
Gabriel P. Silva7
Dispositivos Lógicos Programáveis (PLD)
Gabriel P. Silva8
PLA
• “Programmable Logic Array”
• O primeiro dispositivo programável.
• Composto por uma matriz programável de 
“ANDs” e outra de “Ors”.
• Normalmente são dispositivos de capacidade 
muito reduzida, com apenas algumas dezenas 
de portas.
• Utiliza lógica de fusíveis para a sua 
programação.
• Uma vez programados não podem ser 
reprogramados.
Gabriel P. Silva9
PLA
Gabriel P. Silva10
PLA
Gabriel P. Silva11
PLA
• Diagrama esquemático da PLA
Conexão Realizada
Gabriel P. Silva12
PLA
• Como são usados as PLAs ?
– R: São incluídos como parte de chips 
maiores, como na unidade de controle de 
um microprocessador, para decodificar as 
instruções. Nesse caso a configuração é fixa
• Podem ser encontradas com integrados 
disponíveis no mercado, quando, 
tipicamente, possuem:
– 16 entradas,
– 32 termos de produto e
– 8 saídas
Gabriel P. Silva13
PAL
• “Programmable Array Logic”
• Dispositivo programável com o “array” de OR 
fixo.
Gabriel P. Silva14
Gabriel P. Silva15
Gabriel P. Silva16
PAL
• Qual a diferença em relação a um PLA ?
– R: A PAL possui plano AND programável, 
mas o plano OR é fixo
– R: A PLA possui ambos os planos 
programáveis
• Significa dizer que a PAL é:
– + simples de fabricar
– + barata
– + desempenho
Gabriel P. Silva17
PAL16H8
Gabriel P. Silva18
PAL
Gabriel P. Silva19
PAL Comercial
Gabriel P. Silva20
Exemplo de Aplicação
Gabriel P. Silva21
Exemplo de Aplicação
Gabriel P. Silva22
Progamação de PALs e PLAs
Gabriel P. Silva23
Progamação de PALs e PLAs
Gabriel P. Silva24
Encapsulamentos
• Dual in Line Package (DIP)
Gabriel P. Silva25
Encapsulamentos
• Plastic-Leaded Chip Carrier (PLCC)
Gabriel P. Silva26
Fabricantes
• Altera
• Xilinx
• Atmel
• Cypress
• Lattice
• Data-io
• ...
Gabriel P. Silva27
CPLD
• O que são CPLDs?
– R: Sigla para – Complex Programmable Logic 
Device
– R: É um circuito que pode conter múltiplos 
BLOCOS de circuitos, com recursos de 
CONEXÃO (wiring) interna para conectar 
esses blocos
– R: Quando no projeto muitas entradas e 
saídas são necessárias, as PALs e PLAs não 
as possuem em número suficiente, usa-se 
então um CPLD.
Gabriel P. Silva28
CPLD
• Os elementos programáveis são células do tipo 
EEPROM (Eletrical Erasable PROM) , ou seja, 
são reprogramáveis mediante apagamento 
prévio do conteúdo anterior. 
• A informação de programação é armazenada 
em caráter não volátil, isto é, enquanto não 
houver uma operação explícita de apagamento 
elas são mantidas indefinidamente.
Gabriel P. Silva29
CPLD
Gabriel P. Silva30
CPLD
Gabriel P. Silva31
Encapsulamentos para CPLD
Gabriel P. Silva32
Programação de CPLD
Gabriel P. Silva33
Exemplo de CPLD
Gabriel P. Silva34
Exemplo de CPLD
Gabriel P. Silva35
Exemplo de CPLD
Gabriel P. Silva36
Exemplo de CPLD
Gabriel P. Silva37
Exemplo de CPLD
Gabriel P. Silva38
Gabriel P. Silva39
 FPGA
• O que é um FPGA ?
– R: Sigla para – Field-Programmable Gate 
Array
– R: É um circuito integrado que possui 
capacidade lógica superior a dos CPLDs
– R: É um chip que não possui planos AND e 
OR, mas BLOCOS LÓGICOS 
CONFIGURÀVEIS. 
Gabriel P. Silva40
 FPGA
• São dispositivos programáveis que possuem uma 
arquitetura baseada em blocos lógicos 
configuráveis, chamados de CLB (Configuration 
Logical Blocks). 
• Os CLBs são formados por portas lógicas e flip-
flops que implementam funções lógicas. 
• A FPGA também é formada por estruturas 
chamadas de blocos de entrada e saída (IOB – 
In/Out Blocks), os quais são responsáveis pela 
interface das saídas provenientes das 
combinações de CLBs.
Gabriel P. Silva41
 FPGA
Gabriel P. Silva42
FPGA
Blocos Lógicos 
Configuráveis
Blocos de Entrada e Saída
Linhas de Roteamento
Matriz de Roteamento
Blocos Lógicos 
Configuráveis
Blocos de Entrada e Saída
Linhas de Roteamento
Matriz de Roteamento
Blocos Lógicos 
Configuráveis
Blocos de Entrada e Saída
Linhas de Roteamento
Matriz de Roteamento
Gabriel P. Silva43
FPGA
Gabriel P. Silva44
FPGA
• Uma FPGA usa Blocos Lógicos reconfiguráveis
• Os bits de configuração são selecionados de acordo 
com a função lógica desejada.
• A configuração é uma tabela da verdade (lookup 
table) da funcionalidade
Out
In1
In2
config
config Out
000 NOT(In1)
001 NOT(In2)
010 OR
011 NOR
100 AND
101 NAND
110 XOR
111 XNOR
Gabriel P. Silva45
FPGA
• A FPGA pode implementar lógica puramente 
combinacional ou sequencial, ou seja, que faz uso 
de flip-flops.
Gabriel P. Silva46
FPGA
• LUTs = Look Up Tables
- As LUTs podem ser programadas para qualquer 
tipo de porta necessária ao projeto
- Há um número finito de LUTs em uma FPGA.
Out
In1
In2
config
Out
In1
In2
config
Out
In1
In2
config
Out
In1
In2
config
Out
In1
In2
config
Out
In1
In2
config
Out
In1
In2
config
Out
In1
In2
config
Out
In1
In2
config
Gabriel P. Silva47
FPGA
• As interconexões entre as LUts são programáveis.
LUT LUT LUT
LUT LUT LUT
LUT LUT LUT
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X X X
XX
Gabriel P. Silva48
FPGA
LUT LUT LUT
LUT LUT LUT
LUT LUT LUT
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X X X
XX
Gabriel P. Silva49
FPGA
LUT LUT LUT
INV OR LUT
INV AND LUT
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X X X
XX
A
B
C
Out
Gabriel P. Silva50
FPGA
• Os fabricantes de FPGAs rapidamente percebeam 
que o uso de flip-flops poderia ser muito útil.
• Eles conectaram um flip-flop do tipo D a uma LUT 
de quatro entradas para formar um “Bloco Lógico 
Configurável” (CLB) 
CLB CLB
CLB CLB
X
X
X
X X
Gabriel P. Silva51
FPGA – Bloco Lógico Configurável
Gabriel P. Silva52
FPGA – Bloco Lógico Configurável
Gabriel P. Silva53
FPGA
• A configuração da LUT e da interconexão é 
volátil, isto é, se perde quando a 
alimentação é removida.
• Existe uma memória não-volátil associada à 
FPGA de onde a sua configuração é 
carregada quando o sistema é ligado.
• Já que a programação é feita pelo usuário 
depois da fabricação ela é chamada de 
programável no campo – field 
programmable.
Gabriel P. Silva54
FPGA
• Outros aspectos:
– Ferramentas CAD translacionam uma função 
lógica para o interior de um único bloco lógico
– Células de LUTs são voláteis, então são 
necessárias PROMS ao lado de FPGAs (conteúdo 
atualizado ao serem alimentadas)
– São voláteis pois as células de armazenamento 
são implementadas com memórias SRAMs 
(memórias RAM estáticas)
– FPGAs são indicados para circuitos com mais de 
1 milhão de transistores
Gabriel P. Silva55
Encapsulamentos de FPGA
Gabriel P. Silva56
ASICs e Gate Arrays
Gabriel P. Silva57
Encapsulamentos ASICs
Gabriel P. Silva58
Conclusões
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	Consideration: Speed and Power
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	Slide 36
	Slide 37
	Slide 38
	 FPGA- Field Programmable Gate Array
	Slide 40
	Slide 41
	FPGA- Field Programmable Gate Array
	Slide 43
	FPGA's
	Slide 45
	Slide 46
	Slide 47
	Slide 48
	Slide 49
	Slide 50
	Slide 51
	Slide 52
	Slide 53
	Slide 54
	Slide 55
	Slide 56
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	Slide 58