LabEltnDigital_04

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Laboratório de Eletrônica Digital
FPGA
Universidade Federal do Amazonas (UFAM)
Faculdade de Tecnologia (FT)
Departamento de Eletrônica e Computação (DTEC)
FPGA
Prof. Francisco Januário
Mestrando em Engenharia Elétrica (UFAM)
Bacharel em Engenharia de Telecomunicações (FUCAPI)
LOPES, Alexandre – Slides das aulas de sistemas digitais, Manaus:
FUCAPI, 2011.
TAUB, Herbert – Circuitos digitais e microprocessadores, São
Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1984.
TOCCI, Ronald J. – Sistemas digitais: princípios e aplicações, 8.ed.,
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Referências
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TOCCI, Ronald J. – Sistemas digitais: princípios e aplicações, 8.ed.,
São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2006.
BIGNELL, James W.; DONOVAN, Robert – Eletrônica digital, 5.ed.,
São Paulo: Cengage Learning, 2009.
CAPUANO, Francisco G. e IDOETA, Ivan V. Elementos de eletrônica
digital, 13.ed., São Paulo: Érica, 1988.
• Dispositivos Lógicos Programáveis (PLD – Programmable
Logic Device): são circuitos integrador configuráveis pelo
próprio usuário. Permite implementar funções lógicas sem
a necessidade de fabricação do CI (Circuito Integrado).
• SPLDs (Simple Programmable Logic Device): são
dispositivos simples com menos de 600 portas lógicas
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• SPLDs (Simple Programmable Logic Device): são
dispositivos simples com menos de 600 portas lógicas
fabricados usando a tecnologia CMOS.
• HCPLDs (High Complex Programmable Logic Device):
dispositivos de alta capacidade com mais de 600 portas,
chegando a 250.000. Neste grupo estão os CPLD’s e os
FPGA’s.
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• PLA (Programmable Logic Arrays): primeiro SPLD, criado
pela Philips na década de 1970, para implementar circuitos
lógicos. É composto por um plano de portas AND e outro
de portas OR programáveis.
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• PAL (Programmable Array Logic): é uma evolução do
PLA, composto por um único plano de portas AND. Possui
custo menor e melhor desempenho.
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• HCPLD (High Complex Programmable Logic Device): são
PLDs de alta complexidade por possuir maior número de
portas programáveis. Se dividem em: CPLD e FPGA.
• O CPLD e o FPGA divergem na estrutura interna de suas
células lógicas e na metodologia de interligação dessas
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células lógicas e na metodologia de interligação dessas
células.
• De forma geral, um HCPLD é um dispositivo que possui
em sua estrutura interna, centenas de macrocélulas
programáveis, que são interligadas por conexões também
programáveis.
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• Dispositivos Lógicos Programáveis Complexos (CPLD –
Complex Programmable Logic Device): foram criados pela
empresa ALTERA em 1983, inicialmente como Dispositivos
Lógicos Programáveis Apagáveis (EPLD – Erase
Programmable Logic Device), e depois como CPLD.
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• São dispositivos reprogramáveis, com alto desempenho,
baixo custo e alta capacidade de integração. Aplicações,
por exemplo, em máquinas de estado ou decodificadores
de sinais.
• Um CPLD pode implementar até 50 PLDs típicos.
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• O CPLD possui algumas vantagens em relação aos circuitos
discretos e ASIC (Application-Specific Integrated Circuit)
tradicional.
• Programabilidade e Reprogramabilidade: permite que
funções lógicas possam ser alteradas, simplificando o
desenvolvimento de protótipos.
• Tecnologia CMOS:menor consumo de energia.
• Integração em larga escala: redução do tamanho da placa de
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• Integração em larga escala: redução do tamanho da placa de
circuito impresso, pois elimina diversos circuitos discretos.
• Simplificação e redução do tempo de desenvolvimento: o
projetista define os sinais elétricos conforme desejado:
entradas e saídas podem ocupar o mesmo terminal do
dispositivo.
• Teste e depuração: o CPLD utiliza uma linguagem de
programação que permite a simulação, teste e depuração
rápida do protótipo.
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• O bloco funcional de um CPLD da fabricante ALTERA para
as famíliasMAX II,MAX 3000A,MAX 7000 eMAX IIZ.
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• Arranjo de Portas Programável em Campo – FPGA (Field
Programmable Gate Array): é um HCPLD que implementa
grandes circuitos lógicos. Consiste de um arranjo (ou
matriz) de blocos lógicos.
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Cada célula contém
capacidade computacional
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capacidade computacional
para implementar funções
lógicas e realizar roteamento
para comunicação entre elas.
A empresa Xilinx
desenvolveu o primeiro
FPGA em 1983.
• No interior de cada bloco lógico do FPGA existem vários
modos possíveis para implementação de funções lógicas. A
ALTERA utiliza o bloco de memória LUT (Look-Up Table),
que são células de armazenamento que podem conter o
valor lógico “0” ou “1”. Este modo é o mais utilizado pelos
fabricantes.
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fabricantes.
• Os blocos lógicos LUT’s possuem geralmente 4 ou 5
entradas, permitindo endereçar 16 ou 32 células de
armazenamento. Quando um circuito lógico é
implementado em FPGA, os LUT’s são programados para
realizar as funções lógicas, e os canais de roteamento são
estruturados para interconexão entre os blocos lógicos.
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Estrutura de um FPGA.
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• Arquitetura de Roteamento: formada por barramentos e
chaves de comutação, permitindo interconexão entre
células lógicas.
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Pinos: entrada/saída dos blocos.
Conexão: ligação elétrica de um
par de pinos.
Rede: conjunto de pinos
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Rede: conjunto de pinos
conectados.
Segmento de trilha: segmento
não interrompido por chaves
programáveis.
Canal de roteamento: grupo de 2
ou mais trilhas paralelas.
Bloco de conexão: conectividade
de entradas e saídas de um bloco
com os segmentos de trilhas.
• Famílias: A fabricante ALTERA oferece comercialmente as
seguintes famílias: Stratix II, Stratix, Stratix GX, Cyclone II,
APEX II, APEX 20K,Mercury, FLEX 10K, ACEX 1K, FLEX 6000
e Excalibur Devices.
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• Aplicações: O FPGA permitir projetar sistemas digitais de
simples a complexos.
• Gerador de sinal PWM
• Contadores
• Decodificador para Display 7 Segmentos
• Controle de Motor de Passo
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• Controle de Motor de Passo
•Memórias RAM e ROM
• Codificadores/Decodificadores de Imagens
• Tratamento de imagens VGA
• Unidade Lógica Aritmética, Microcomputador
• Transmissor / Receptor Serial
• Transmissor / Receptor (Set-Top Box) de TV Digital
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• Aplicações: Transmissor / Receptor de TV Digital.
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• Kit de Desenvolvimento: A fabricante ALTERA oferece
comercialmente alguns KIT’s de desenvolvimento FPGA.
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http://www.terasic.com.tw/en/
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Altera DE2-115: Placa de
desenvolvimento e educação.
Altera DE0-Nano: Placa de
desenvolvimento e educação.
• Kit de Desenvolvimento (continuação).
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http://www.terasic.com.tw/en/
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Altera Cyclone V GX: Kit de
desenvolvimento FPGA.
Altera Nios II: Kit de
desenvolvimento embarcado.
• Kit de Desenvolvimento (continuação).
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Altera Stratix NIOS II: Nosso KIT de
desenvolvimento FPGA.