Certos CPLDs e FPGAs podem ser programados após serem instalados na placa de circuito im- presso (PCB – printed circuit board). Após o desenvolvimento do projeto lógico e o teste comple- to numa placa de desenvolvimento, o dispositivo pode então ser programado mesmo já estando soldado na placa do sistema no qual vai operar. Além disso, se for necessário realizar uma altera- ção no projeto, o dispositivo na placa do sistema pode ser reconfigurado para incorporar as modi- ficações do projeto.
Num sistema de produção, a programação de um dispositivo na própria placa do sistema mi- nimiza o manuseio e elimina a necessidade de manter estoques de dispositivos programados. Isso
Placa de desenvolvimento para PLD
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Sistema de programação para dispositivos lógicos reprogramá- veis.
também evita a possibilidade de partes com defeito serem colocadas no produto. Dispositivos não programados podem ser mantidos no almoxarifado e programados on-board (na placa do sistema) conforme a necessidade. Isso minimiza custos necessários para inventários e melhora a qualidade dos seus produtos.
JTAG O padrão JTAG estabelecido pela Joint Test Action Group é o nome normalmente usado para o padrão 1149.1 da IEEE. O padrão JTAGfoi desenvolvido para prover um método simples, denominado varredura de limites, para teste da funcionalidade de dispositivos programáveis bem como a identificação de conexões ruins em placas de circuitos, tais como curto-circuito entre pi- nos, pinos abertos, problemas em trilhas, entre outros. Mais recentemente, o padrão JTAG tem si- do usado como uma forma conveniente de configurar dispositivos programáveis on-board. De acordo com o aumento da demanda por produtos programáveis por campo, o uso do padrão JTAG como uma forma conveniente de reprogramar CPLDs e FPGAs continua aumentando.
Dispositivos JTAG tem um hardware interno dedicado que interpreta instruções e dados for- necidos por quatro sinais dedicados. Esses sinais são definidos pelo padrão JTAG como Teste de Entrada de Dados (TDI – Test Data In), Teste de Saída de Dados (TDO – Test Data Out), Teste de Seleção de Modo (TMS – Test Mode Select) e Teste de Clock (TCK – Test Clock). O hardware de- dicado JTAG interpreta instruções e dados nos sinais TDI e TMS e controla os dados de saída no sinal TDO. O sinal TCK é usado como clock do processo. Uma placa de circuito impresso JTAG é representada na Figura 3–58.
(a) Inserção de texto VHDL. (b) Inserção gráfica (esquemático) equivalente.
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Exemplo da inserção do projeto de uma porta AND.
PLD JTAG Sistema PCB TDO TMS TDI TCK Interface JTAG Hardware JTAG dentro do PLD F I G U R A 3 – 5 8
Processador Embutido Uma outra abordagem para programação dentro do sistema é o uso de microprocessador e memória embutidos. O processador é embutido no sistema juntamente com o CPLD ou FPGA e outros circuitos, sendo o processador dedicado à finalidade de configuração do dispositivo programável dentro do sistema.
Conforme estudamos, os dispositivos baseados em SRAM são voláteis perdendo os dados programados quando a alimentação é desligada. É necessário armazenar os dados da programação numa memória apenas de leitura programável (PROM – programmable read-only memory), que é não-volátil. Quando a alimentação é ligada, o processador embutido toma o controle da transfe- rência de dados da PROM para o CPLD ou FPGA.
Além disso, um processador embutido é usado algumas vezes para reconfiguração de um dis- positivo programável enquanto o sistema está em operação. Nesse caso, as alterações de projeto são feitas com software, sendo que os novos dados são carregados numa PROM sem perturbar a operação do sistema. O processador controla a transferência de dados diretamente para o disposi- tivo no momento apropriado. Um diagrama em bloco simples de um processador/sistema lógico programável é mostrado na Figura 3–59.
Microprocessador embutido PR OM Lógica de programação Dados do projeto do PLD F I G U R A 3 – 5 9
Diagrama em bloco simplificado de um PLD com processador embutido e memória.
SEÇÃO 3–7 REVISÃO
1. Faça uma lista com as cinco tecnologias de processo usadas para conexões programáveis em lógica
programável.
2. O que significa o termo volátil em relação a PLDs e qual tecnologia de processo é volátil? 3. Quais são os dois métodos de inserção de projeto para a programação de PLDs e FPGAs? 4. Defina JTAG.
3-8
LÓGICA DE FUNÇÕES FIXA S
As duas principais tecnologias de circuito integrado (CI) usadas para implementar portas lógicas são CMOS e TTL. As operações lógicas NOT, AND, OR, NAND, NOR e EX-OR são as mes- mas independente da tecnologia de CI usada; ou seja, uma porta AND tem a mesma função ló- gica se for implementada com CMOS ou TTL.
Ao final do estudo desta seção você deverá ser capaz de:
■ Identificar as séries mais comuns de CMOS e TTL ■ Comparar CMOS com TTL em termos de tipos de dispositivos e performance de parâmetros ■ Definir tempo de atraso de propaga- ção ■ Definir dissipação de potência ■ Definir fan-out ■ Definir produto velocidade-po- tência ■ Interpretar informações básicas de folhas de dados
A tecnologia de Semicondutor de Óxido Metálico Complementar (CMOS– Complementary Metal-Oxide Semiconductor) é implementada com um tipo de transistor de efeito de campo. A tec- nologia da Lógica Transistor-Transistor (TTL– Transistor-Transistor Logic) é implementada com transistores de junção bipolar. Tenha em mente que diferem apenas nos tipos de componentes de circuito e valores de parâmetros e não na operação lógica básica. Uma porta AND CMOS tem a mesma operação lógica que uma porta AND TTL. Isso é válido para todas as outras funções lógi- cas básicas. A diferença entre TTL e CMOS está nas características de performance tais como ve- locidade de comutação (atraso de propagação), dissipação de potência, imunidade a ruído entre outros parâmetros.
CMOS
Existe uma pequena divergência em relação a qual tecnologia de circuito, CMOS ou TTL, é a mais amplamente usada. Parece que a tecnologia CMOS se tornou dominante e pode eventual- mente substituir CIs TTL de pequena e média escala de integração. Embora a tecnologia TTL te- nha dominado por muitos anos principalmente por ter uma velocidade de comutação maior e por ter uma maior diversidade de tipos de dispositivos, a tecnologia CMOS sempre teve a vantagem de ter uma menor dissipação de potência embora esse parâmetro seja dependente da freqüência de operação. A velocidade de comutação de dispositivos CMOS tem melhorado bastante sendo ago- ra competitiva com dispositivos TTL, enquanto que a baixa dissipação de potência e outros fato- res desejáveis se mantiveram com o progresso da tecnologia.
Séries CMOS As categorias de dispositivos CMOS em termos de tensão de alimentação são 5 V, 3,3 V, 2,5 V e 1,8 V. As famílias CMOS de baixa tensão são os desenvolvimentos mais recentes e são o resultado de um esforço para reduzir a dissipação de potência. Como a dissipação de po- tência é proporcional ao quadrado da tensão, a redução de 5 V para 3,3 V, por exemplo, reduz a po- tência em 34% sendo que os outros fatores permanecem os mesmos.
Dentro de cada categoria de tensão de alimentação, várias séries de portas CMOS estão dis- poníveis. Essas séries dentro da família CMOS diferem nas suas características de performance e são identificadas pelos prefixos 74 ou 54 seguido por uma letra ou letras que indicam a série e um número que indica o tipo de dispositivo lógico. O prefixo 74 indica a classe comercial para uso ge- ral e o prefixo 54 indica a classe militar para condições ambientais mais severas. Nesse livro nos referimos sempre aos dispositivos de prefixo 74. As séries básicas CMOS para a categoria de 5 V e suas designações incluem:
■ 74HC e 74HCT – CMOS de alta velocidade (o “T” indica compatibilidade com TTL) ■ 74AC e 74ACT – CMOS avançado
■ 74AHC e 74AHCT – CMOS de alta velocidade avançado
As séries CMOS básicas para a categoria de 3,3 V e suas designações incluem: ■ 74LV – CMOS de baixa tensão
■ 74LVC – CMOS de baixa tensão
■ 74ALVC – CMOS de baixa tensão avançado
Além das séries 74 existe a série 4000, que é uma tecnologia CMOS mais antiga de baixa velocidade ainda disponível, embora de uso limitado. Além do CMOS “puro”, existem séries que combinam CMOS e TTL denominadas BiCMOS. As séries BiCMOS básicas são:
■ 74BCT – BiCMOS
■ 74ABT – BiCMOS avançado ■ 74LVT – BiCMOS de baixa tensão
TTL
A tecnologia TTL foi por muitos anos a mais popular tecnologia de CIs digitais. Uma vantagem da tecnologia TTL é que ela não é sensível à descarga eletrostática como CMOS, portanto, é mais prática para uso na maioria dos laboratórios de experimentação e prototipagem porque não preci- samos nos preocupar com precauções para manuseio dos dispositivos.
Séries TTL Assim como na família CMOS, algumas séries de portas lógicas TTL estão dispo- níveis, sendo que todas operam com tensão de alimentação de 5 V cc. Essas séries dentro da famí- lia TTL diferem em suas características de desempenho e são identificadas pelos prefixos 74 ou 54 seguido por uma ou mais letras de indicam a série e um número que indica o tipo de dispositi- vo lógico dentro da série. Um CI TTL pode ser distinguido de um CMOS pelas letras que seguem o prefixo 74 ou 54.
As séries básicas TTL e as suas designações são: ■ 74 – TTL padrão (sem letra)
■ 74S – TTL schottky
■ 74AS – TTL schottky avançado ■ 74LS – TTL schottky de baixa potência
■ 74ALS – TTL schottky de baixa potência avançado ■ 74F – TTL rápido