Conceptos generales

 VLSI

Para saber sobre VLSI, tenemos que saber sobre IC o circuito integrado. Un IC es un chip o un paquete de procesos que contiene transistores o circuitos digitales en miles de millones.

VLSI o integración a gran escala se refiere al proceso para incorporar transistores (especialmente transistores MOS) para formular IC.

Los dispositivos VLSI constan de miles de puertas lógicas. Ayudan a crear grandes matrices de memoria. Las matrices se utilizan en microcontroladores y microprocesadores. Es posible incorporar 104 al 89 componentes en un solo chip en la técnica de diseño estándar VLSI.

Un diseño VLSI tiene varias partes. Necesita una representación física, estructural y de comportamiento correcta y perfecta del circuito. Se omite la información redundante y repetitiva para hacer un buen sistema de arte. Se logra mediante el uso de la descripción del diseño gráfico y la representación simbólica de los componentes y las interconexiones.

Las arquitecturas VLSI utilizan transistores de efecto de campo MOS de canal n y MOS complementarios.

MSI

MSI (Médium Scale Integration): Esta escala comprende todos aquellos integrados cuyo número de puertas oscila entre 12 y 100 puertas. Es común en sumadores, multiplexores,... Estos integrados son los que se usaban en los primeros ordenadores aparecidos hacia 1970.

La existencia de muchos sistemas digitales complejos normalizados tales como contadores, multiplexores, decodificadores, etc., ha permitido su diseño en circuito integrado y produjo la aparición de la escala de integración media (MSI). bajo esta denominación se incluyen aquellos circuitos integrados que contienen de 100 a 1000 componentes, equivalentes aproximadamente a 10 y 100 puertas lógicas respectivamente.

SSI

SSI (Small Scale Integration) Integración a pequeña escala.

SSI (Short Scale Integration): Es la escala de integración mas pequeña de todas, y comprende a todos aquellos integrados compuestos por menos de 12 puertas.

Se comenzó integrando puertas elementales en un número de una a seis en función del número de entradas, y biestables del tipo j-k principal subordinado (master-slave), tipo d activado por flancos (edge-triggered) y d cerrojo (latch). estos circuitos constituyen la pequeña escala de integración (SSI), denominación que engloba a los circuitos integrados que contienen entre 10 y 100 componentes, equivalentes aproximadamente a 1 y 12 puertas lógicas respectivamente.

FPGAS

Las FPGAS son una gran solución en la elaboración de prototipos gracias a la flexibilidad que ofrecen en el diseño. Debido a su importancia, se presenta como ejemplo de diseño, la descripción de un circuito combinacional en lenguaje VHDL programado en una FPGA Spartan XCS200E.

Los FPGAs son circuitos integrados que contienen un arreglo de bloques lógicos idénticos con interconexiones programables, en los que el usuario puede programar tanto las funciones realizadas por cada bloque lógico como las conexiones entre bloques. Los FPGAs tienen varias ventajas con respecto a MPGAs. Un arreglo de compuertas tradicional puede ser usado para implementar cualquier circuito, pero 27 sólo se puede programar en fábrica ya que se requiere hacer una máscara específica para un circuito en particular y el tiempo de diseño para un circuito integrado basado en arreglo de compuertas es de algunos meses. Por otro lado, los FPGAs son productos comerciales, el tiempo de manufactura se puede reducir de meses a algunas horas cambiando de MPGAs a FPGAs. De la misma forma, se vuelve más fácil y más barato corregir errores en los diseños. A volúmenes no tan altos, los FPGAs son más baratos que los MPGAs. El interior de los FPGAs contiene típicamente tres elementos programables: los bloques lógicos, los bloques de entrada/ salida y las interconexiones. Se considera que los bloques de entrada/ salida se encuentran en la periferia del circuito integrado, éstos conectan las señales lógicas a los pines del chip. Los bloques lógicos se encuentran distribuidos dentro del FPGA y el espacio entre ellos se usa para mandar conexiones entre bloques. La programabilidad de campo se logra por los elementos que pueden ser reconfigurables por el usuario. Los bloques lógicos se crean usando multiplexores, look-up tables y arreglos de compuertas AND-OR o NAND-NAND, y cualquiera de estas cosas puede ser programada (o configurada) por el usuario. Lo que diferencia un FPGA de un CPLD es la interconexión flexible de propósito general. En un CPLD la interconexión es bastante restringida, mientras que en un FPGA es muy flexible, lo cual a veces puede resultar ser una desventaja ya que mandar una conexión de una parte del chip a otra muy alejada puede hacer el diseño más lento. Los bloques lógicos entre FPGAs varían en los componentes básicos que emplean. Algunos FPGAs usan bloques basados en LUTs, mientras que otros usan multiplexores y compuertas lógicas. Existen también bloques lógicos que simplemente consistían en pares de transistores. En los primeros FPGAs de Altera, los bloques consistían en PLDs. 28 Los bloques lógicos también varían en el tamaño. Algunos FPGAs usan bloques básicos grandes, capaces de implementar varias funciones de cuatro o cinco variables, con algunos flip flops. En contraste, también existen FPGAs con bloques que sólo permiten una función de tres variables y un flip flop en cada bloque. Los distintos fabricantes usan nombres diferentes para sus bloques, por ejemplo, en Xilinx un bloque lógico programable se llama Configurable Logic Block; Altera los llama Logic Elements (LEs) y una colección de ocho o diez de ellos se llama Logic Array Block (LAB). Un elemento importante en los FPGAs es la interconexión programable entre bloques lógicos. Existen diferentes tipos de conexiones en FPGAs comerciales. Algunos usan matrices de switches, en las que hay un switch en cada intersección de “cables”. Una matriz de switches soporta cualquier conexión entre cable y cable, pero resulta muy cara esta tecnología, además de que no todas las conexiones pueden existir al mismo tiempo. Otros FPGAs usan conexiones especiales entre bloques lógicos adyacentes. Este tipo de conexiones son rápidas porque no necesitan pasar por una matriz de ruteo. En este tipo de FPGAs las interconexiones directas se dan hacia los cuatro bloques vecinos (arriba, abajo, izquierda y derecha), en otros casos se dan hacia los ocho vecinos, incluyendo así a los diagonales. Los pines de un FPGA están conectados a bloques programables de entrada/ salida que facilitan conectar las señales de los bloques lógicos al mundo externo. Cada bloque de entrada salida tiene un número de opciones. El pin puede ser configurado para ser entrada o salida mediante un buffer triestado. El bloque contiene flip flops para guardar los valores de entrada o de salida. La señal de salida puede ser invertida si se desea, mediante una compuerta XOR. 29 Los FPGAs recientes tienen también bloques especializados. Dentro de estos bloques existen los de memoria RAM, que van de 16k a 10M bits los cuales pueden servir para almacenar datos necesarios en un proceso. El vendedor puede incluir también bloques de procesamiento digital de señales con hardware para realizar transformadas rápidas de Fourier, filtros FIR e IIR, entre otras cosas. Existen también bloques embebidos de procesadores dentro de los FPGAs modernos, como el MicroBlaze de Xilinx y el Nios de Altera.

CPLD

Los avances en tecnología han hecho posible la creación de circuitos integrados programables equivalentes a varios PLDs en el mismo chip. A estos circuitos integrados se les llaman dispositivos lógicos programables complejos (CPLDs por sus siglas en inglés). Un CPLD es un circuito integrado que consiste en un número de bloques lógicos parecidos a un PAL, incluyendo además una matriz programable de interconexiones entre estos bloques. Algunos CPLDs se basan en la arquitectura del PAL, en cuyo caso cada macrocelda contiene un flip flop y una compuerta OR, cuyas entradas están asociadas a un arreglo de compuertas AND fijo, mientras que los CPLDs que se 24 basan en PLAs cada salida de compuertas AND en un bloque se puede conectar a la entrada de cualquier compuerta OR en ese bloque. Los más grandes fabricantes de CPLDs hoy en día son Xilinx, Altera, Lattice Semiconductor, Cypress y Atmel. Algunos de estos vendedores especifican sus productos en términos de cantidad de compuertas, mientras que otros lo hacen en términos de elementos lógicos. Por ejemplo, Altera vende tres series de CPLDs, las cuales son MAX II, MAX 3000 Y MAX 7000. Cada una de éstas tiene especificaciones en general y los dispositivos dentro de cada serie se diferencian de acuerdo a sus capacidades lógicas y el número de pines de entrada/ salida. Dentro de la serie MAX 7000 existen dispositivos que van de las 600 compuertas (32 macroceldas) hasta 5000 compuertas (256 macroceldas). Su arquitectura esta basada en módulos de arreglos lógicos, llamados Logia Array Blocks (LABs) que consisten en arreglos de 16 macroceldas. Los LABs se conectan por medio del Programmable Interconnect Array (PIA) alimentado por todas las entradas, pines de entrada/salida así como por las macroceldas.

Las macroceldas de la serie MAX 7000 pueden ser configuradas individualmente para operar con lógica combinacional o secuencial. Tienen tres bloques funcionales: el arreglo lógico, la matriz de selección de términos producto y el registro programable.

CMOS

Siglas en inglés de Complementary Metal Oxide Semiconductor (semiconductor complementario del óxido de metal, «MOS Complementario»), es una tecnología utilizada para crear circuitos integrados, como pueden ser compuertas lógicas, contadores (entre éstos, muy populares los Decimales Johnson), etc. Consiste básicamente en dos transistores, uno PFET y otro NFET. De esta configuración resulta el nombre.

Los chips CMOS consumen menos potencia que aquellos que usan otro tipo de transistor. Tienen especial atractivo para emplearlo en componentes que funcionen con baterías, como las computadoras portátiles. Las computadoras de sobremesa también contienen dispositivos de memoria CMOS de bajo consumo de potencia para almacenar la fecha, hora y configuraciones (BIOS).

Existen diversos tipos de ventajas y desventajas contra estos circuitos, siendo el problema del daño por electricidad estática el fantasma que más afecta el uso comercial de estos integrados.

Diversos estudios afirman que dicho planteamiento no es más que un mito, ya que deben darse muchos factores tanto ambientales como físicos, aparte de lo eléctrico, para dañarlos.

Dentro de las ventajas mayores que tienen los CMOS destacan las siguientes dos:

• Funcionan con tensiones desde los 3 hasta los 15 V, por ende no necesitan una fuente de voltaje dedicada para ellos.
• Se ha demostrado que un CMOS determinado tiene muchas más aplicaciones (o dichas aplicaciones trabajan mejor en CMOS) que en un TTL.

Además, su fabricación es relativamente fácil y barata, en comparación con otras tecnologías.

La familia CMOS se identifica mediante los prefijos 74 y 54, seguidos de una letra o letras que indican la serie y a continuación un número que indica el tipo de dispositivo lógico. El prefijo 74 indica que se trata de un dispositivo de propósito general, el prefijo 54 indica que es un dispositivo para aplicaciones militares.

La serie básica CMOS de 5 V y sus denominaciones son las siguientes:

• 74HC y 74HCT. CMOS de alta velocidad (la “T” indica compatibilidad TTL).
• 74AC y 74ACT. CMOS avanzada.
• 74AHC y 74AHCT. CMOS de alta velocidad avanzada.

La serie básica CMOS 3.3 V y sus denominaciones son las siguientes:

• 74LV. CMOS de baja tensión.
• 74LVC. CMOS de baja tensión.
• 74ALVC. CMOS de baja tensión avanzada.

Existen además series que combinan ambas tecnologías, CMOS y TTL, que se denominan BiCMOS. La serie básica y sus denominaciones son las siguientes:

• 74BCT. BiCMOS.
• 74ABT. BiCMOS.
• 74LVT. BiCMOS de baja tensión.
• 74ALB. BiCMOS de baja tensión.

 

VHDL

Las siglas de  VHDL es VHSIC (Very High Speed Integrated Circuits) Hardware Description Language. Esto significa que VHDL permite acelerar el proceso de diseño. VHDL no es un lenguaje de programación, por ello conocer su sintaxis no implica necesariamente saber diseñar con él. VHDL es un lenguaje de descripción de hardware, que permite describir circuitos síncronos y asíncronos. Para realizar esto debemos: - Pensar en puertas y biestables, no en variables ni funciones. - Evitar bucles combinacionales y relojes condicionados. - Saber qué parte del circuito es combinacional y cuál secuencial. ¿Por qué usar un lenguaje de descripción hardware? - Poder descubrir problemas en el diseño antes de su implementación física. - La complejidad de los sistemas electrónicos crece exponencialmente, es necesaria una herramienta que trabaje con el ordenador. - Permite que más de una persona trabaje en el mismo proyecto. En particular VHDL permite tanto una descripción de la estructura del circuito (descripción a partir de subcircuitos más sencillos), como la especificación de la funcionalidad de un circuito utilizando formas familiares a los lenguajes de programación. La misión más importante de un lenguaje de descripción HW es que sea capaz de simular perfectamente el comportamiento lógico de un circuito sin que el programador necesite imponer restricciones (ver ejemplo 1). En el ejemplo, una ejecución del código utilizando las reglas básicas de cualquier lenguaje de programación al uso daría dos resultados diferentes sobre la misma descripción del circuito. Esto es debido a que en HW todos los circuitos trabajan a la vez para obtener el resultado (todo se ejecuta en paralelo) mientras que en software el orden de las instrucciones delimita la actualización de las variables (ejecución secuencial de las instrucciones). Un lenguaje de descripción HW, VHDL o cualquier otro de los existentes en el mercado, nos debe dar el mismo resultado en simulación para los dos programas del ejemplo 1.

Referencias

• Stallings, W. (2011). Data & Computer Communications. (9th edition). New Jersey: Prentice Hall. 

• Tocci, R.J., Widmer, N.S. (2007). Sistemas digitales: Principios y aplicaciones. (10a edición). México: Pearson Education.                                                                                                                           

• Floyd, T.L. (2006). Fundamentos de sistemas digitales. (9 a edición). Madrid: Pearson Education. 

• Morris, M. (2003). Diseño digital. (1 a edición). México: Prentice Hall.                                                      

  • Mandado, E. (1992). Sistemas electrónicos digitales. (7ª Edición). México: Marcombo.