aula7_tecnologias

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

Construção de Circuitos 
Digitais
Lógica Digital 1oCC
Carolina P. Almeida
Construção de Circuitos Digitais
 Os circuitos digitais são realizados com
circuitos integrados;
 Um circuito integrado é um cristal
semicondutor, habitualmente de silício,
que contém os componentes eletrônicos
que formam as portas lógicas;
Construção de Circuitos Digitais
 Semicondutores são sólidos cristalinos
de condutividade elétrica intermediária
entre condutores e isolantes;
 Os elementos semicondutores podem ser
tratados quimicamente para transmitir e
controlar uma corrente elétrica;
 Um circuito integrado é habitualmente
designado por chip.
Construção de Circuitos Digitais
 O chip é montado dentro de um
empacotamento cerâmico ou plástico e
são construídas ligações do chip para os
pinos externos do circuito integrado;
 O número de pinos pode variar entre 14
(para os empacotamentos pequenos) e
milhares.
Construção de Circuitos Digitais
 Os CIs podem ser classificados segundo o
nº de portas lógicas que comportam:
 SSI – “Small-Scale Integration”: até 10
portas;
 MSI – “Medium-Scale Integration”: até
100 portas – funções elementares:
somadores, etc.
Construção de Circuitos Digitais
 LSI – “Large-Scale Integration”: até
alguns milhares de portas – pequenos
processadores, etc.
 VLSI – “Very Large-Scale Integration”: a
partir de alguns milhares de portas –
microprocessadores, etc.
 A maioria dos circuitos modernos
comerciais são VLSI.
Construção de Circuitos Digitais
 Os CIs são também classificados de
acordo com a tecnologia em que são
fabricados;
 A seguir, veremos algumas tecnologias
que foram empregadas ao longo do
tempo na construção de circuitos
integrados.
Terminologias
Terminologias dos Circuitos Integrados
 Apesar do grande número de fabricantes
de circuitos integrados, grande parte da
nomenclatura e da terminologia
empregadas nesta área é padronizada;
 Os termos mais usais serão definidos e
discutidos a seguir.
Terminologias dos Circuitos Integrados
 VIH (mínimo)-Tensão de Entrada Correspondente
ao Nível Lógico Alto:
 É o nível de tensão necessário para representar o
nível lógico 1 na entrada de um circuito digital.
Qualquer tensão abaixo deste nível não será
considerada nível lógico alto por um circuito digital;
 VIL (máximo)-Tensão de Entrada Correspondente
ao Nível Lógico Baixo:
 É o nível de tensão necessário para representar o
nível lógico 0 na entrada de um circuito digital.
Qualquer tensão acima deste nível não será
considerada nível lógico baixo por um circuito digital;
Terminologias dos Circuitos Integrados
 VOH (mínimo) - Tensão de Saída Correspondente
ao Nível Lógico Alto:
 É o nível de tensão necessário a representar o nível
lógico 1 na saída de um circuito digital. Tal parâmetro
normalmente é especificado por seu valor mínimo;
 VOL (máximo) - Tensão de Saída Correspondente
ao Nível Lógico Baixo:
 É o nível de tensão necessário a representar o nível
lógico 0 na saída de um circuito digital. Tal parâmetro
normalmente é especificado por seu valor máximo;
Terminologias dos Circuitos Integrados
Terminologias dos Circuitos Integrados
 Fan-out: em geral, a saída de um circuito
lógico é projetada para alimentar várias
entradas de outros circuitos lógicos;
 O fan-out , também chamado fator de carga, é
definido como o número máximo de entradas
de circuitos lógicos que uma saída pode
alimentar de maneira confiável;
 É o número que expressa a quantidade máxima
de portas da mesma família que poderá ser
conectada à saída de uma porta lógica;
Terminologias dos Circuitos Integrados
Terminologias dos Circuitos Integrados
 Fan-in: é o número total de entradas da
porta lógica.
Terminologias dos Circuitos Integrados
 Atraso (retardo/delay) de Propagação: um
sinal lógico sempre sofre atraso em sua
passagem através de um circuito;
 Os dois tempos correspondentes aos atrasos
de propagação são definidos como:
 tPLH: tempo de atraso correspondente à passagem do
nível lógico 0 para o nível lógico 1 (baixo para alto).
 tPHL: tempo de retardo correspondente à passagem do
nível lógico 1 para o nível lógico 0 (alto para baixo).
Terminologias dos Circuitos Integrados
 Tais valores são usados para a compação
das velocidades de operação dos circuitos
lógicos;
 Exemplo: Um circuito com atraso de
propagação total em torno de 10ns é mais
rápido do que um circuito com atraso de
propagação total da ordem de 20 ns.
Tecnologias
Famílias de Circuitos Lógicos
 Para a construção de um hardware (chip)
podem ser empregadas diversas
tecnologias;
 Cada tecnologia tem seus prós e contras,
sendo indicada para determinados casos
ou não;
 Veremos algumas tecnologias e no que
elas são aplicadas.
Famílias de Circuitos Lógicos
 Durante muito tempo, os circuitos
construídos a partir da Álgebra Booleana
foram implementados utilizando-se
dispositivos eletromecânicos como, por
exemplo, os relés;
 Portanto, o nível de tensão correspondente a
um nível lógico (VIL, VIH, VOL, VOH), poderia
assumir qualquer valor dependendo apenas
das características do projeto;
Famílias de Circuitos Lógicos
 A partir do surgimento do transistor,
procurou-se padronizar os sinais elétricos
correspondentes aos níveis lógicos;
 Esta padronização ocasionou o surgimento
das famílias de componentes digitais
com características bastante distintas;
 Existem várias tecnologias e topologias
disponíveis para a implementação de
portas lógicas digitais.
Famílias de Circuitos Lógicos
 As famílias lógicas diferem basicamente pelo
componente principal utilizado por cada uma em
seus circuitos:
 As famílias TTL (Transistor-Transistor Logic) e
ECL (Emitter Coupled Logic) usam
transistores bipolares como seu principal
componente;
 Enquanto as famílias PMOS, NMOS e CMOS
usam os transistores unipolares MOSFET
como seu elemento principal de circuito.
Famílias de Circuitos Lógicos
 Apesar da tecnologia dominante
atualmente ser a tecnologia CMOS, quer
devido ao seu baixo custo quer devido à
grande densidade de portas lógicas que
permite integrar por unidade de área;
 Existem tecnologias alternativas que
também apresentam algumas vantagens e
são usadas correntemente em circuitos
comerciais;
Famílias de Circuitos Lógicos
 As principais tecnologias utilizadas são:
 Portanto, para a implementação de um
porta NAND (ou qualquer outra porta
lógica), por exemplo, pode-se utilizar:
 GaAs;
 TTLs;
 CMOS;
 BiCMOS.
Famílias de Circuitos Lógicos
 Arseneto de Gálio (GaAs):
 A tecnologia de GaAs permite a realização
de circuitos de muito alta freqüência
(acima de 10 GHz);
 No entanto a baixa densidade que é
possível obter e o seu elevado custo de
fabricação limitam a sua utilização prática
a circuitos muito específicos para os quais
seja virtualmente impossível quaisquer
das outras tecnologias disponíveis.
Famílias de Circuitos Lógicos
 Tecnologia Bipolar: A tecnologia bipolar
foi a tecnologia precursora dos circuitos
digitais;
 Pode ser vantajosa em termos de velocidade
face às tecnologias baseadas em transistores
unipolares;
 No entanto, é uma solução mais cara, mais
complexa, pior em termos de consumo de
energia e não permite a implementação de
sistemas de larga escala devido à área que
uma porta lógica ocupa.
Famílias de Circuitos Lógicos
 Tecnologia Bipolar: A tecnologia bipolar
foi a tecnologia precursora dos circuitos
digitais;
 As principais variantes atuais da
tecnologia
bipolar são as famílias TTL e
ECL respectivamente utilizadas para
circuitos lógicos genéricos e de muito
alta velocidade.
Famílias de Circuitos Lógicos
 TTL – Transistor-Transistor Logic:
 Trabalha com transistores e é utilizada
em pequenos chips (poucas portas);
 É uma tecnologia antiga e pouco
utilizada (consome muita energia para
fazer pouca coisa);
 Cada TTL tem em média 4 portas, para
fazer um circuito complexo seria
necessário muitas TTLs (ocupa muito
espaço).
Famílias de Circuitos Lógicos
Chip TTL Implementação da porta 
AND em TTL
Famílias de Circuitos Lógicos
 CMOS – Complementary Metal-Oxide-
Semiconductor :
 É a tecnologia mais utilizada atualmente,
pois permite um baixo consumo de
energia e uma grande densidade de
portas lógicas;
 É utlizada em memórias, processadores,
microcontroladores, etc.
Famílias de Circuitos Lógicos
 CMOS – Principais Características:
 Reduzido consumo de energia;
 Processo de fabricação do CMOS mais
simples que da TTL, possuindo também
uma densidade de integração maior;
 Porém são mais lentos do que os TTL;
 Apesar da nova série CMOS de alta
velocidade competir em pé de igualdade
com as séries TTL 74 e 74LS.
Famílias de Circuitos Lógicos
Câmera Kodak com sensor 
CMOS
 Tecnologia BiCMOS: combina as
vantagens dos circuitos bipolares (TTL e
ECL) e CMOS;
 Partilha também algumas das
desvantagens da tecnologia bipolar,
como o custo, área, e o seu campo de
utilização é bastante limitado;
 Sendo por vezes uma boa opção em
circuitos mistos (analógicos e digitais).
Famílias de Circuitos Lógicos
 FPGAs – Field Programmable Gate Arrays
(Vetor de Portas Programáveis em Campo):
 Foram criadas em 1983 pela empresa Xilinx;
 Consiste de um grande arranjo de células
lógicas ou blocos lógicos configuráveis
contidos em um único circuito integrado ;
 Cada célula contém capacidade
computacional para implementar funções
lógicas e realizar roteamento para
comunicação entre elas.
Famílias de Circuitos Lógicos
 FPGAs – Field Programmable Gate Arrays
(Vetor de Portas Programáveis em Campo):
 As funções lógicas implementadas em uma
FPGA podem ser trocadas até mesmo em
tempo de execução;
 Uma FPGA é um dispositivo que pode ser
implementada em diversas tecnologias, a
mais utilizada é a CMOS.
Famílias de Circuitos Lógicos
 Placa de desenvolvimento de hardware DE2. Esta placa
contém uma FPGA chamada Cyclone II, dispositivos de
entrada e saída, placa de rede, LEDs, portas USB,
memória RAM, display de 7 segmentos, etc
 O elemento lógico da figura anterior
compõe o vetor de elementos da FPGA;
 Durante a reconfiguração suas funções
podem ser modificadas;
Famílias de Circuitos Lógicos
 Este elemento contém:
 Multiplexadores: circuito que recebe duas ou 
mais entradas e retorna uma única saída que 
corresponde a uma das entradas;
 Look-up Table (LUTs): é um tipo de memória 
que é utilizada para guardar tabelas-verdade 
de funções;
Famílias de Circuitos Lógicos
 Carry-Chain: serve para facilitar e tornar mais 
rápidas as operações de soma e subtração 
(utilizadas quando o elemento lógico está no 
modo aritmético);
 Registradores (flip-flop): servem como 
elementos de armazenamento. Utilizados em 
circuitos seqüenciais.
Famílias de Circuitos Lógicos
 CPLDs – Complex Programmable Logic
Devices:
 É uma outra tecnologia de hardware reconfigurável;
 Inicialmente haviam diferenças conceituais entre
CPLDs e FPGAs, hoje em dia os termos são
praticamente sinônimos;
 Antes a FPGA era mais flexível do que uma CPLD,
mas uma CPLD era mais rápida do que uma FPGA;
 Hoje a principal diferença é marketing. O termo FPGA
“pegou” mais, está mais associado a hardware
reconfigurável.
Famílias de Circuitos Lógicos
 CPLDs – Complex Programmable Logic
Devices:
 Então uma CPLD também é composta por
elementos lógicos reconfiguráveis;
 Os quais podem ser alterados em tempo de
execução.
Famílias de Circuitos Lógicos
Famílias de Circuitos Lógicos
 As duas maiores empresas fabricantes de
FPGAs e CPLDs são:
 Altera: www.altera.com
 Xilinx: www.xilinx.com
Famílias de Circuitos Lógicos
Fluxo de Desenvolvimento em uma
FPGA
 Design Entry – o circuito desejado
é especificado tanto por meio de
diagrama esquemático ou pelo uso
de uma linguagem de descrição de
hardware, tal como VHDL;
 Synthesis – o código ou o
esquema é sintetizado (transformar
na tecnologia) em um circuito que
consiste de elementos lógicos
contidos em um chip FPGA;
 Functional Simulation – o circuito
sintetizado é testado para verificar
sua corretude funcional. Esta
simulação não leva em
consideração nenhum quesito de
tempo.
Fluxo de Desenvolvimento em uma
FPGA
 Fitting – verifica se o chip
comporta o circuito. Se o circuito
“couber” no chip, o fitting escolhe
em quais partes (elementos) o
seu circuito será alocado. Além
disso, ele faz a comunicação
entre as partes do circuito (liga
os fios);
 Timing Analysis – calcula os
tempos mínimos e máximos para
executar cada “pedacinho” do
circuito. Verifica qual parte do
sistema é mais demorada e deve
ser melhorada.
Fluxo de Desenvolvimento em uma
FPGA
 Timing Simulation – é uma
simulação levando em
consideração o tempo. Como o
circuito se comportaria na placa;
 Programming and Confi-
guration – o circuito desejado é
implementado em um chip físico
(FPGA).