DISPOSITIVI LOGICI PROGRAMMABILI

Per implementare sistemi digitali di una certa complessità, esistono varie metodologie di seguito esaminate. • Si possono utilizzare integrati standard SSI, MSI e LSI, quali ad esempio porte logiche, circuiti combinatori, sequenziali. Con la logica sparsa è possibile realizzare teoricamente sistemi digitali dal più semplice al più complesso, ma questo richiede un tempo di progettazione e realizzazione piuttosto lungo e con il risultato di avere un circuito spesso non effici- -ente e con prestazioni scadenti. Inoltre questa logica denota limiti per quanto riguarda l’area occupata, il costo di progettazione e realizzazione, il numero di componenti e la potenza assorbita.

• Si possono usare integrati con scala di integrazione LSI che sono completamente definiti nel progetto dall’utente e servono a risolvere il problema specifico dell’utente. Questi integrati personalizzati sono caratterizzati da una maggiore semplicità, una maggiore velocità di funzionamento e una maggiore affidabilità. Tuttavia quando si deve realizzare un nuovo progetto, si deve tener conto del fattore NRE (Non Recurring Engineering, costo non ricorrente) che è il costo da affrontare per una sola volta per progettare, realizzare e testare il nuovo prodotto. Tale costo deve essere ripartito sulla quantità di integrati che devono essere prodotti. • Una strategia alternativa è costituita da prodotti esistenti in commercio che si pongono in una posizione intermedia tra gli standard e gli integrati personalizzati perché sono programmabili dall’utente. Si tratta di integrati che contengono una gran quantità di componenti combinatori e sequenziali. La funzione svolta è determinata dall’utente con una programmazione di tipo hard e non soft come la programmazione dei microprocessori. • Un ulteriore metodo consiste nell’utilizzare integrati specializzati nella risoluzione di problemi specifici. Sono integrati che svolgono la funzione di encoder e decoder per video e audio, microcontrollori, DSP.

Esiste dunque in commercio una grande varietà di chip che si possono classificare in base a chi, costruttore o progettista, definisce la funzione logica da implementare e l’architet- -tura interna: • integrati standard nei quali sia l’architettura sia le funzioni sono definite dal costruttore; si tratta degli integrati combinatori e sequenziali, dalle semplici porte logiche alle funzioni combinatorie logiche e aritmetiche, dai flip-flop ai registri e ai contatori; • integrati ASIC (Application Specific Integrated Circuit, circuito integrato per applica- zione specifica) nei quali l’utente determina la funzione da eseguire; • integrati ASSP (Application Specific Standard Product, prodotto standard per applica- zione specifica) rivolti a tutti gli utenti; con questo tipo di integrati il costruttore risolve problemi specifici che riguardano ad esempio il processo dei segnali video, audio, di comunicazione e dell’elettronica automobilistica; sono chiamati anche SOC (System On Chip); • integrati UPIC (User Programmable Integrated Circuit, circuito integrato program- mabile dall’utente) nei quali la struttura è definita dal costruttore e la funzione dall’utente, ad esempio la PROM, EPROM e EEPROM possono essere considerate integrati di questo tipo; • integrati ASCP/USIC (Application Specific Custom Product/User Specific Integrated Circuit) sono in contrapposizione agli ASSP poiché sono rivolti ad un utente specifico che ne detiene la proprietà intellettuale. I parametri fondamentali da tenere presente nella scelta del tipo di integrato da adottare per la risoluzione del problema sono i seguenti: • prestazioni in termini di area occupata, di frequenza di lavoro e di potenza assorbita; • costi del prototipo e di produzione del chip che dipendono dal numero di componenti da produrre; • time-to-market, cioè il tempo impiegato per progettare, per realizzare il prototipo, per il testing e per produrre il numero di chip richiesto. Se negli anni ’80 l’industria dei semiconduttori è stata trainata dal microprocessore, negli anni ’90 la vera protagonista è stata la logica programmabile ad alta densità, chiamata high density PLD, successivamente denominata simple PLD. Nata nel 1984, può essere considerata una estensione naturale delle logiche program- -mabili presenti fin dai primi anni sessanta sul mercato: PAL (Programmable Array Logic) e GAL (Generic Array Logic). Questi nuovi dispositivi sono stati introdotti per l’integrazione della logica sparsa (glue logic) o discreta, precedentemente implementata usando circuiti integrati TTL e per la sostituzione di gate array di bassa densità.

PLD Un integrato in logica programmabile (PLD, Programmable Logic Device) è un componente in grado di esplicare una funzione programmata dall’utente. I PLD hanno le seguenti caratteristiche: • elevatissimo numero di gate, configurabili da utente; • tempi di realizzazione e di verifica di un progetto limitati a pochi giorni, a differenza dei gate array per i quali sono necessarie diverse settimane; • configurabilità via software dall’utente attraverso una programmazione abbastanza rapida; • eventuali modifiche al progetto non sono problematiche, infatti è sufficiente una nuova programmazione del dispositivo che può essere effettuata in qualsiasi momento. Con l’introduzione di nuovi componenti, per cercare di classificare le logiche programmabili con differenti architetture di PLD, alcuni costruttori hanno denominato FPGA (Field Programmable Gate Array) una sottofamiglia di logiche programmabili ad alta densità, altri invece la considerano una categoria distinta.

SPLD Gli integrati SPLD (Simple Programmable Logic Device) contengono fino a un massimo di 600 porte logiche. Sono molto semplici perché caratterizzati da una bassa densità. Nei PLD semplici l’elevato fan-out, le buone risorse di logica combinatoria e le intercon- -nessioni continue garantiscono elevata velocità di funzionamento e prevedibilità delle prestazioni ancor prima di essere implementate. L’interconnessione continua è il tipo di collegamento dei circuiti digitali standard nei quali i segnali dall’ingresso giungono all’uscita percorrendo itinerari di vari livelli. Il campo di utilizzo di questi dispositivi è il settore delle logiche di controllo, delle funzioni di decodifica, delle macchine a stati.

I PAL (Programmable Array of Logic) appartengono alla famiglia dei PLD semplici. Sono composti da una matrice programmabile di AND e da una matrice fissa di OR, cioè l’opposto delle PROM, anche se a queste sono molto simili costruttivamente. Nei PAL è possibile implementare un qualsiasi circuito combinatorio. I PAL sono utili quando non sono richieste tutte le possibili combinazioni delle variabili d’ingresso ma solo alcune di esse. Sono programmati dal costruttore (OTP) su indicazione delle tabelle delle funzioni fornite dall’utente. A differenza della PROM, la matrice di AND è programmabile, mentre quella di OR è fissa.

ASIC full custom Sono integrati progettati per soddisfare le richieste di un cliente, quindi sono chip in grado di soddisfare un’applicazione specifica. Si tratta di integrati nei quali tutte le operazioni di mascheratura sono definite dal committente. La struttura che si ottiene è ottimizzata per lo spazio occupato sul chip e fornisce buone performance. Gli svantaggi sono piuttosto importanti in quanto i costi di progettazione e testing sono abbastanza elevati. Elevato è anche il time-to-market (tempo necessario per rendere il prodotto effettivamente utilizzabile). Per attenuare gli svantaggi è necessario che i costi siano ammortizzati su un volume di produzione abbastanza ampio.

ASIC semicustom Gli ASIC semicustom sono integrati con una struttura in parte prefabbricata, quindi si tratta di un prodotto semifinito. Le ultime operazioni di mascheratura sono definite in base al progetto del committente. Gate Array Sono costituiti da una struttura standard predisposta dal costruttore nella prima fase di lavorazione dei circuiti integrati. La configurazione standard è formata da una matrice di BJT o MOSFET e da una serie di linee. Nella zona periferica della matrice sono posizionate piazzole metalliche per il collegamento ai pin dell’integrato e ai buffer di I/O. A partire da questa configurazione fissa, l’utente elabora il suo progetto, con l’ausilio di tecniche CAE, indicando i collegamenti da effettuare tra i transistor, per implementare le funzioni booleane, ed eventualmente anche i collegamenti tra le funzioni stesse. Prima di passare alla fase realizzativa è possibile effettuare un test di simulazione per verificare l’assenza di bug nella programmazione dell’integrato. La caratteristica più interessante di questi integrati è la flessibilità: ogni dispositivo è personalizzato per una specifica applicazione. Poiché le funzioni necessarie per tale applicazione sono disponibili in un unico dispositivo, il silicio disponibile, impiegato per la realizzazione dell’integrato, viene sfruttato al meglio. I Gate Array possono contenere più di mille porte logiche elementari e possono sostituire una quantità di integrati standard SSI e MSI da qualche unità a qualche decina. Gli svantaggi dei Gate Array si possono così riassumere: • la fase di progetto è più lunga rispetto ad altri dispositivi, quindi i costi di sviluppo sono piuttosto elevati e per ammortizzarli è necessario produrre quantità elevate: • tali costi diventano ancora più alti specialmente se si desidera apportare variazioni al progetto una volta che il silicio è stato elaborato. Nei Gate Array le modifiche sono nella maggior parte dei casi impossibili, tuttavia quando ciò è possibile, occorre attendere alcune settimane perché il costruttore deve rifare la mascheratura del silicio, operazione che comporta inevitabilmente consistenti ritardi sui tempi previsti, non solo ma tutto ciò influisce ovviamente sui costi del progetto e su quelli di produzione.

Linguaggi di programmazione L’evoluzione dei dispositivi logici ha dato vita a vari tipi di componenti in grado di ottimiz- -zare in tutto o in parte l’implementazione dei sistemi digitali. Tutti questi integrati hanno in comune la caratteristica della programmabilità dell’hardware. Il successo di tali dispositivi è dovuto soprattutto a due fattori: la strutturazione e la programmabilità dell’hardware. La natura strutturata e la programmabilità consentono al progettista un elevato grado di flessibilità e di opzioni per adempiere ai requisiti di qualsiasi sistema. Il fattore che probabilmente è stato determinante per lo sviluppo di questi componenti è stata la programmabilità in-circuit. I sistemi con dispositivi logici hanno la capacità di essere a controllo di programma. In altri termini è possibile aggiornare o correggere la funzionalità del sistema dopo la fase di sviluppo, analogamente ai sistemi a microprocessore o microcontrollore ai quali hanno eroso una parte di mercato. I linguaggi di programmazione di questi dispositivi vengono definiti HDL (Hardware Description Language) e sono linguaggi standard per la descrizione dei circuiti integrati digitali. Si tratta di strumenti che consentono di: • progettare e documentare i blocchi digitali utilizzati e connessi tra loro nel chip; • rappresentare le specifiche hardware dal system level al gate level. I linguaggi di programmazione più comuni sono: • VHDL (Very High Speed Integrated Circuits Hardware Description Language) è un linguaggio di programmazione introdotto in un progetto del dipartimento della difesa statunitense e adottato come standard dalla IEEE nel 1993; divide equamente il mer- -cato della programmazione dei componenti programmabili più complessi insieme al Verilog; • Verilog, introdotto dalla Cadence, è uno standard della IEEE; è finalizzato insieme al VHDL alla programmazione degli FPGA e di altri componenti molto densi; • ABEL (Advanced Boolean Equation Language), progettato dalla DATA I/O Corporation, è un linguaggio di programmazione idoneo per progetti non molto complessi come i PLD; • PALASM (PAL ASseMbler) idoneo, come l’ABEL, per progetti non molto complessi, tipo PLD; • AHDL (Altera Hardware Description Language) della ALTERA, simile all’ABEL; • altri linguaggi proprietari di case costruttrici e non standardizzati.