Los procesos de fabricación de dispositivos electrónicos han mejorado a una rata muy acelerada en los últimos años. Gracias a las mejoras en los procesos litográficos se han reducido los espesores de las líneas que constituyen el núcleo de los circuitos integrados. Ésto ha traído la posibilidad de diseñar y fabricar chips con una funcionalidad mucho más compleja

Guzmán, Germán

Trefftz, Christian

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Repositorio Institucional Universidad EAFIT

'PGAsI Gennán. GuzmánChristian. TrefftzL OS procesos de fabricación dedispositivos electrónicos han me-jorado a una rata muy aceleradaen los últimos años. Gracias a lasmejoras en los procesos litográficos se hanreducido los espesores de las líneas queconstituyen el núcleo de los circuitos inte-grados. Ésto ha traído la posibilidad de diseñary fabricar chips con una funcionalidad muchomás compleja.Tradicionalmente, los usuarios hemos tenido anuestra disposición circuitos que cumplen unafunción en particular o microprocesadores.Los fabricantes de productos masivos puedenhacer fabricar chips de propósito específico queGermán Guzmán R. y Christian Trefftz G. Profesoresdel Departamento de Informática y Sistemas,Universidad EMIT.FPGAscumplan determinada función en formarápida y barata. Estos chip s son llamadosASIC: Application Specific Integrated CircuitoLos FPGAs (Field Programmable Gate Arrays)surgen como una alternativa para que unusuario pueda diseñar un circuito de propósitoespecífico sin tener que mandar a fabricarlo,es decir, lo puede programar en el sitio. LosFPGAs pueden cumplir una función que seríairrealizable por un solo circuito regular y paralos que un microprocesador resulta demasiadocaro, complejo o lento.1. CIRCUITOS INTEGRADOSHoy en día existe unaamplia gama de circuitosintegrados. Lloris y Prieto(Lloris, 96) ofrecen lasiguiente taxonomía:1. Circuitos Estándar:Circuitos de fabrica-ción masiva con unafuncionalidad claramente definida y depropósito general. Ejemplos de esta familialo constituyen los circuitos de la familiaTTL, los chips de memoria, los micropro-cesadores, los microcontroladores y losprocesadores digitales de señales.2. Circuitos ASIC (Application SpecificIntergrated Circuits): Circuitos diseñadospara una aplicación específica o quepermiten que se les programe para unaaplicación específica. Por lo general elnúmero de unidades producidas es menor.La taxonomía de Lloris subdivide la categoríade los circuitos ASIC en varias subcategorías: -. Circuitos Lógicos programables: Circuitosque contienen una estructura internaregular que puede ser programada por elusuario para que realice una funciónespecífica. La programación puede serrealizada por el usuario en sus instalacionescon dispositivos relativamente baratos.Existen dos categorías básicas:- PLD (programmable Logic Devices): Loselementos de la estructura regular sonrelativamente sencillos. A esta categoríapertenecen los ROMs (Read Only Memories),PLAs (programmable Logic Arrays) yPALs(Prograrnmable Array Logic).- FPGA (Field programmable Gate Array): Losbloques básicos son máscomplejos y adicional-mente se pueden pro-gramar las interconexio-nes entre los distintosbloques.. Circuitos "Semi-Custom" : En estoscircuitos existe unaestructura preexistente que el usuarioadapta a sus necesidades. Se necesita unproceso de fabricación posterior a la adap-tación del usuario que se realiza utilizandolas especificaciones generadas por el usua-rio. Hay tres tipos de estructuras:- Matrices de Puertas: Hay arreglos detransistores y faltan las últimas fases de laproducción del circuito. Entre los grupos deceldas lógicas, se reservan áreas paraposibles canales de interconexión de losgrupos.- Mar de Puertas: Son matrices de puer-tas con celdas más sencillas. No existenzonas reservadas para las interconexiones.Revista Universidad Eafit. Octubre - Noviembre - Diciembre 1998Cuando se necesitan interconexiones, seusan las celdas sobre las cuales pasan loscamInos.- Celdas estándar: El fabricante proporcionalibrerías de módulos básicos estándar queel diseñador integra en su diseño.Los circuitos de tipo de Matrices de Puertas yMar de Puertas se denominan como MPGAsIIMask programmable Gate Arrays".. Circuitos IICustom": El diseñador realiza eltrazado de máscaras completo. Se enVÍanal fabricante archivos con la descripción deldiseño hecho por el usuario.2. DISPOSITIVOS FPGALos FPGA[Trim,94, Sánchez96] son circui-tos integrados programables in-situ por elusuario. Los FPGAs más recientes [Villasenor97] se pueden reconfigurar en un milisegundo.Los FPGAs se usan en varios sectores delmercado de productos electrónicos:1. En dispositivos de los cuales se producenrelativamente pocas unidades. Por ejemplo,en tarjetas de procesamiento de imágeneses frecuente encontrar FPGAs. Los fabri-cantes de estos dispositivos no puedenjustificar la producción de ASIes por losbajos volúmenes de dispositivos que venden.Los FPGAs tienen una funcionalidad simi-lar, a costos menores y con una velocidadligeramente menor.2. En prototipos. Los FPGAs pueden serutilizados para depurar y refinar un diseño.El diseño que ha sido simulado en softwarepuede ser probado en hardware antesde mandar a fabricar el ASIC correspon-diente.Existen varios tipos de FPGAs, dependiendo deltipo de tecnología utilizada en su fabricación.Cada tipo de tecnología ha sido adoptado porun proveedor diferente:. SRAM: En el circuito existen unas celdas dememoria dedicadas a guardar la configu-ración del circuito. Más adelante describi-remos con más detalle que se controla conla configuración.. "Antifusible" (antifuse): Un antifusiblecambia, irreversiblemente, de una resis-tencia alta a baja cuando se aplica unvoltaje de programación a sus terminales.Los antifusibles están ubicados entrecanales que interconectan los bloquesbásicos lógicos. Cuando se programa elFPGA, se aplica el voltaje a los antifusiblesdeseados para que queden interconectadoslos bloque lógicos deseados.. Dispositivos Lógicos Programables Borra-bles (EPLD). Son PLD (programmable LogicDevices - Dispositivos Lógicos Programa-bles), implementados en CMOS y no entecnología bipolar, a los que se han agre-gado transistores IIprogramables". Estostransistores se comportan como los antifu-sibles de la categoría anterior.3. FPGAS DE XILINXEn la Universidad EAFIT hay disponi-bles FPGAs fabricados por Xilinx, por lotanto describiremos con mayor detalle su-FPGAsarquitectura. Los FPGAs de Xilinx constan deuna cuadrícula de bloques lógicos. Estosbloques lógicos están insertos en unaestructura de interconexión. Tanto los bloqueslógicos como la estructura de interconexiónse pueden programar cargando desde unafuente externa valores a celdas de memo-ria. En la Figura 1 se puede apreciar laestructura general de un FPGA de Xilinx.Estas celdas de configuración controlan lalógica y la interconexión que realizan lafunción de aplicación de la FPGA. No hay unárea de RAM separada en el chip sino que lasceldas de memoria están distribuidas en elchip. En los bordes del chip, rodeando los blo-ques programables hay bloques de Entrada/Salida configurables.La memoria de configuración se escribe solouna vez por cada aplicación. El hecho de quela configuración del FPGA esté en memoriaimplica que el programa es volátil, es decir, hayque reprogramar el circuito cada vez que seencienda el dispositivo. Hay que incluir en eldiseño la lógica necesaria para cargar al FPGAel programa al encender el dispositivo que locontiene.Los FPGAs de XiIiux constan de una. euadrfcula de bloques lógIeos.lógteos están insertos en unainterconexión. 'Dmto los bloques lógicos comola estruetura de intereonexión se puedenpJ.'Oll'4lm8tearpndo cIeideuna fuente edemavalores a eeIdas de memoria.- - -.-También es necesario tener algún tipo dememoria externa para almacenar en ella elprograma en forma permanente. Estasdesventajas se ven compensadas por el hechode que el dispositivo es reprogramablemúltiples veces. Si se ha fabricado un dispo-sitivo con un FPGA es posible actualizar eldispositivo en las instalaciones del clientecambiando la PROM en la cual está alma-cenado el programa de configuración dela FPGA.Los bloques básicos que componen un FPGAXilinx son:. Tabla de Función (Lookup Table - LUT) ogenerador de funciones. Implementa lógicacombinacional como una memoria detamaño 2n x 1 compuesta de celdas dememoria para configuración. Esta unidadtiene n entradas. La tabla puede imple-mentar cualquiera de las 22n funciones desus entradas. Cuando se programa la FPGA,se carga en memoria el patrón de bitscorrespondiente a la tabla de verdad de lafunción. Por ejemplo, para implementar unAND de 4 bits, todos los bits de la tabla de16 posiciones estarían en O con excepcióndel bit más significativo que estaría en 1. Sise desea se puede implementar una funcióncon menos entradas que las ofrecidas porla tabla: Se pueden dejar las entradas noutilizadas en cero. Todas las funcionesgeneradas por una Tabla de Funcióndemoran el mismo tiempo: El tiempo deacceso a la memoria.. Punto de Interconexión Programable (PIP).Los pips controlan la conexión de lossegmentos de los cables en las intercone-xiones configurables. Son básicamentetransitores de pasada controlados por unacelda de memoria de configuración. Los-Revista Universidad Eafit. Octubre - Noviembre - Diciembre 1998segmentos a cada lado del transistorquedan conectados o no dependiendo delvalor de la celda de memoria. Un pipes la unidad básica de configuración delalambrado. Los PIPs se combinan paraformar suiche s que interconectan seg-mentos. Dependiendo del estado del PIp,los segmentos quedarán interconectadoso no.. Multiplexor. Los multiplexores dentro deun FPGA son controlados por una celda dememoria de configuración.. Bloque Lógico. Los componentes anterioresse combinan para conformar una BloqueoOOOLógico. El diseño del Bloque Lógico varía deun modelo de FPGA a otro.. Bloques de Entrada/Salida. Los bloques deE/S conectan el circuito con el exterior. Estosbloques ofrecen salidas de tres estados ysirven para almacenar temporalmente lasseñales de entrada y salida.. Circuitería para Programación. Esta circui-tería permite programar el dispositivo.Incluye las celdas de control. Normalmentese cargan serialmente, es decir, se puedeconsiderar el conjunto de celdas de controlcomo una sola palabra de programaciónmuy larga.FIGURE 1Estructura de un FPGA de Xilinx.Bloque de E/S6DDD. - Interconexión ConfigurableDDDDDBloque ProgramableD DDD D D D3. 1 LA ARQUITECTURA DE LOS XILINX 3000oOOOEstos FPGAs son fabricados tanto por Xilinx como por Seiko y AT&T (Trim, 94). Ellector interesado puede encontrar una descripción más completa en el capítulo dos dellibro de Trimberger (Trimberger, 1994).-FPGAsLos bloques de control lógico de los modelos3000 tienen dos tablas de función, cada una decuatro entradas. Estas tablas se combinan conun multiplexor en una "función combina-cional" que puede producir cualquier funciónde cinco entradas y algunas de hasta sieteentradas. También cuenta con dos flip-flops. Lasalida de estos flip-flops realimenta la unidadde función combinacional. Los flip-flops sonmuy útiles para diseños con entubamiento(pipelining) .Los bloques de Entrada/Salida incluyen flip-flops, la posibilidad de invertir la salida y laposibilidad de seleccionar la rata de captura.Las entradas capturadas en el "pad" puedenser llevadas al chip directamente, o a travésde un registro o en ambas formas. De estaforma, el bloque puede demultiplexar señalesexternas tales como buses en los que secomparten líneas de direcciones y datos,almacenando la dirección en los flip-flops yalimentando los datos directamente en laslíneas.La interconexión tiene la siguiente estruc-tura: Hay conjuntos de cinco líneas deinterconexión tanto en el sentido horizontalcomo vertical que están tendidas entre losbloques lógicos. Adicionalmente, cada bloquelógico tiene conexiones directas a los bloquescontiguos en sentido horizontal y vertical.Hay también unas líneas largas especialespara interconectar bloques que están relati-vamente lejos. Hay tres líneas verticales y doshorizontales. Las señales tienen buffers alconectarse a líneas largas. Dos de las líneashorizontales están conectadas a buffers tri-estado, distribuidas a lo largo de la línea larga.Hay un buffer por cada bloque lógico. Conestos buffers se pueden implementar busesdentro del chip.FIGURE 2Diagrama Simplificado de un Bloque Lógico de un X3000EntradasFunciónCombinacionalD D-SalidasD D--Revista Universidad Eafit. Octubre - Noviembre - Diciembre 1998Dentro de la familia 3000 de Xilinx hay seismodelos diferentes. Los dispositivos vienen envarios tipos de empaques. La velocidad de losXilinx 3000 ha venido aumentando a medidaque los procesos de fabricación han mejorado(se ha pasado de 1.2 micras a 0.8 micrasy se han mejorado los caminos críticos depropagación de la señal). En algunos diseñosse han utilizado frecuencias de reloj de hasta100 MHz.3.2 LA ARQUITECTURA DE LOSXILINX 4000El modelo 4000 de Xilinx fue desa-rrollado a principios de la década de los90. A diferencia del modelo 3000, el 4000fue diseñado para usar herramientas compu-tadorizadas para ubicación y enrutamiento.El bloque lógico de control utilizado en losXilinx 4000 contiene tres tablas de función ydos flip flops. Las tablas primarias de función,llamadas F y G, implementan, cada una,funciones de cuatro variables. Estos dosresultados se pueden extraer del bloque, o sepueden combinar con otra entrada en unatabla llamada H para implantar cualquierfunción de cinco entradas o algunas funcionesde hasta nueve entradas. Los flip-flops sepueden alimentar desde las tablas de funcióno de señales externas. Las salidas de los flip-flops no se recirculan. Si es necesario reali-mentar una señal, se utiliza el alambrado deinterconexión externa.Hay dos configuraciones especiales en losbloques de control de los Xilinx 4000: En laprImera, el CLB se comporta como un suma-dor de alta velocidad (en un sumador, lapropagación de la señal de carry es crítica parala velocidad de la operación. Si se acelera laoperación de carry, se hace mas rápida laoperación). En la segunda configuración, lastablas de función se configuran como memo-rias estáticas de 16x1. Cada CLB puede servircomo 32 bits de memoria, ya sea 16x2 o 32x1.Esta disponibilidad hace que el modelo 4000 seaapropiado para diseños que incluyan muchosregistros.En los bloques de Entrada/Salida de los Xilinx4000, las señales que van a salir del chippueden almacenarse en registros y poste-riormente se puede habilitar la salida medianteuna señal de control separada. También sepuede cambiar la rata de cambio (slew-rate).Al igual que en el 3000, las entradas se puedenllevar directamente al interior del chip, sepueden llevar a registros intermedios o ambaspara facilitar el uso de interfaces abusesmultiplexados. Adicionalmente hay decodifica-dores dedicados disponibles en los bloquespara reconocer rápidamente direcciones.El alambrado de los 4000 incluye intercone-xiones de propósito general de longitudsencilla y líneas de longitud doble que sólovisitan cada segundo bloque. La demora en lapropagación de una señal depende principal-mente del número de pips que cruza. Estohace más veloces las líneas de longituddoble.Existen líneas largas globales. Las señales queviajan por estas líneas pueden tener su fuente-FPGAsfuera del chip, por ejemplo, en un reloj. La existencia de las líneas largas globales permiteque se minimice el retardo de la propagación de la señal del reloj.Los pines de entrada, salida y control de los 4000 están distribuidos uniformementealrededor de todo el chip. Para las señales de control hay entradas replicadas en loscuatro lados. Se puede configurar el circuito para que escoja el lado más conveniente.Cada bloque lógico de un Xilinx 4000 tiene un tiempo de propagación de 4.5 ns. Se hanconstruido sistemas con velocidades de reloj entre 50 y 60 MHz.FIGURE 3Diagrama Simplificado de un bloque lógico de un X40005. CONCLUSIONESLos FPGAs son una alternativa para eldiseño de dispositivos electrónicos. Utilizán-dolos con el software apropiado para suprogramación, se puede obtener un grado deintegración mucho mayor que el obtenido conlas técnicas "tradicionales" de diseño. Tambiénes posible obtener velocidades más altas,funcionalidades más complejas y se puedesimplificar el proceso de fabricación. Ensíntesis, son alternativas muy importantespara los diseñadores de dispositivos elec-trónicos.En el campo educativo, tanto los FPGA comolos PLDs y los PLAs permiten que los estu-diantes se concentren en el diseño y no enalambrar y en encontrar conexiones sueltas.Al usar los FPGAs y los PLAs o PLDs enconjunto con herramientas de diseño com-putarizado, el estudiante es mucho másproductivo y puede implementar sus diseñosen un tiempo mucho menor.-FunciónIDD-Lógica DEntradas I FunciónISalidasLógicaD D-FunciónII ILÓgicaDRevista Universidad Eafit. Octubre - Noviembre - Diciembre 1998BIBLIOGRAFÍATrim94, Field-Programmable Gate Array Technology,por Stephen M Trimberger et al, Editorial KluwerAcademic, 1994.Uoris96, Diseño Lógico, por Antonio Uoris y AlbertoPrieto, Editorial McGraw Hill, 1996.Sanchez96, Towards Evolvable Hardware, por Eduar-do Sanchez y Marco Tomassini, Editorial SpringerVerlag, 1996.Villasenor97, Configurable Computing, por JohnVillasenor y William H Mangione-Smith, enScientific American, edición de Junio de 1997,páginas 66 a 71.-

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