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%*********************************** Second Chapter **************************************

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\chapter{Conceptos Teóricos}

\label{chap:conceptos-teo}

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%La \emph{electrónica} ha revolucionado del siglo XX y sigue siendo un impacto en el siglo XXI. El nacimiento y subsecuente crecimiento de la industria de la computación, la creación del teléfono móvil y la \emph{digitalización} de los servicios de televisión y radio son ejemplos de grandes logros tecnológicos que la electrónica ha ofrecido. En las décadas de 1970 y 1980, los sistemas electrónicos se encontraban compuestos de componentes estándares como microprocesadores y varios circuitos integrados (\textsl{Integrated Circuits}, ICs), todo esto sobre una placa de circuitos impresos (\textsl{Print Circuit Boards}, PCBs. Como el nivel de integración creció, el proceso de fabricación de los PCBs se convirtió cada vez más complejo. Esto se debió al incremento de transistores y pines de entrada/salida que implicó el uso de placas multi-capas, logrando desarrollar placas con hasta 20 capas. Así, la probabilidad de conexiones de componentes en forma incorrecta aumentó, particularmente la posibilidad de diseñar con éxitos y probar un sistema en forma funcional antes de ingresar a un proceso de producción.

\section{Dispositivos Lógicos Programables}

\label{sec:fund-pld}

Los \emph{Dispositivos Lógicos Programables} (PLDs) fueron introducidos a medidos de 1970s. La idea era construir circuitos lógicos combinacionales que fueran \emph{programables}. Contrariamente a los microprocesadores, los cuales pueden \emph{correr} un programa sobre un hardware \emph{fijo}, la programabilidad de los PLDs hace referencia a niveles de \emph{hardware}. En otras palabras, un PLD es un chip de \emph{propósitos generales} cuyo \emph{hardware} puede ser reconfigurado dependiendo de especificaciones particulares del programador\cite{RefPLDs1}.

EL primer PLD se llamaba PAL (\textsl{Programmable Array Logic}). Estos dispositivos disponían solo de compuertas lógicas (no tenían flip-flop), por lo que solo permitía la implementación de circuitos \emph{combinacionales}. Para salvar este problema, Los \emph{\textsl{registered}} PLDs  fueron lanzados pocos después, los cuales incluían un flip-flop por cada salida del circuito. Con esta versión de los PAL, se podría implementar funciones \emph{secuenciales} simples.

En el comienzo de 1980s, se agregaba más circuitos lógicos adicionales a la salida  de los PLD. Este circuito de salida se lo identificaba como celda, llamado también \emph{Microcelda}, que contenía (además de flip-flop) compuertas lógicas y multiplexores. Por otra parte, la celda era reprogramable, permitiendo varios modos de operación. Además, se podía proveer una señal de retorno (\textsl{feedback}) desde la salida del circuito a la lógico principal de la PAL, lo que le daba mayor flexibilidad a estos dispositivos reprogramables. Esta nueva estructura era llamada \emph{\textsl{generic PAL}} o GAL. Una arquitectura de dispositivo similar fue conocido como PALCE (\textsl{PAL CMOS Electrically erasable/programmable}).

Todos estos chips (PAL, \textsl{registered} PLD, y GAL/PALCE) son ahora categorizados como SPLDs (\textsl{Simple} PLDs). Los dispositivos  GAL/PALCE son los únicos fabricados aún en una encapsulado independiente.

Luego, varios dispositivos GAL fueron fabricados en un solo chip, usando un esquema de direccionamiento más sofisticado, mayor tecnología en su fabricación, y varias características adicionales (como soporte JTAG e interfaces para varios estándares lógicos). Esta nueva propuesta se la conoció como CPLD (\textsl{Complex} PLD). Los CPLDs son actualmente muy populares debido a su alta densidad, funcionalidad, y bajo costo.

Finalmente, a mediados de 1980s, las FPGA (\textsl{Field Programmable Gate Array}) fueron introducidos al mercado de los IC. Las FPGAs diferían de los CPLDs en su arquitectura. tecnología, recursos internos, y costo. Estos dispositivos tenían como principal objetivo su implementación en diseños de gran requerimientos en recursos de hardware como así también un alto rendimiento.

Un pequeño resumen de los diferentes dispositivos PLDs se puede observar en la Tabla \ref{tab:evo-plds}.

\begin{table}[h]

  \centering

  \begin{tabular}[h]{|c|ll|}

    \hline

    \multirow{5}{*}{PLDs} & \multirow{3}{*}{Sample PLD (SPLD)} & \multicolumn{1}{|l|}{PAL} \\

                          &                                    & \multicolumn{1}{|l|}{Registered PAL} \\

                          &                                    & \multicolumn{1}{|l|}{GAL} \\ \cline{2-3}

                          & Complex PLD (CPLD)                 &                           \\ \cline{2-3}

                          & FPGA                               &                           \\

    \hline

  \end{tabular}

  \caption{Evolución de los PLDs.}

  \label{tab:evo-plds}

\end{table}

Por último, todos los PLDs (\textsl{simple} o \textsl{complex}) son no volátiles. Estos puede ser OTP (\textsl{One-Time Programmable}), en la que pequeños fusibles electrónicos son usados para la reprogramación, de igual forma que las EEPROM o memorias Flash. Las FPGAs, por otra lado, son en su mayoría volátiles. Para estas últimas se deben usar dispositivos externos para cargar las conexiones.

%Actualmente los dispositivos más utilizados son los CPLDs y FPGAs. De estas dos tecnología, se optó por trabajar con las FPGAs pues, como bien se dijo antes, cuentan con mayor recursos de \textsl{hardware} que los CPLDs. Lo que permitirá dar un mayor margen a los desarrollos digitales que se quieran implementar. Se detallará con mayor profundidad la tecnología y estructura de las FPGAs.

\section{SPLDs}

\label{sec:fund-pld-spld}

Como se mencionó anteriormente, los dispositivos  PAL, PLA y GAL se clasifican como los \textsl{Simple} PLD (SPLDs). Una descripción de las arquitecturas de cada uno de estos dispositivos se presenta a continuación.

\subsection{PALs}

\label{sec:fund-pld-spld-pal}

Los \textsl{Programmable Array Logic} (PAL) son introducidos por Monolithic Memories Inc. a mediados de 1970. Su arquitectura básica se ilustra en la Figura \ref{fig:pal-arch}, donde se representa con un pequeño círculo las conexiones programables. Como puede verse, el  circuito esta compuesto de un arreglo de compuertas AND \emph{programables}, seguido por un arreglo \emph{fijo} de compuertas OR.

La implementación de la Figura \ref{fig:pal-arch} se basa en que cualquier función combinacional puede ser representada como una Suma de Productos (SOP); es decir, si $a_1$, $a_2$, $\cdots$, $a_N$ son las entradas lógicas, entonces cualquier salida combinacional $x$ puede ser compuesta como

\begin{equation}

  \label{eq:sop}

  x = m_1 + m_2 + \cdots + m_M \text{ ,}

\end{equation}

donde $m_i = f_1\left(a_1,a_2,\cdots,a_N\right)$ son los términos mínimos de la función $x$. Por ejemplo

\begin{equation}

  \label{eq:sop-2}

  x = a_1\bar{a}_2 + a_2a_3\bar{a}_4 + \bar{a}_1\bar{a}_2a_3a_4\bar{a}_5

\end{equation}

Por lo tanto, el producto (términos mínimos) puede ser obtenido por medio de las compuertas AND, cuya salidas están conectadas a una compuerta OR para calcular su suma.

\begin{figure}

  \centering

  \includegraphics[width=0.5\textwidth]{PAL}

  \caption{Arquitectura básica de una PAL.}

  \label{fig:pal-arch}

\end{figure}

La principal limitación de esta arquitectura es el hecho de que solo permite la implementación de funciones combinacionales solamente. Para solucionar este problema, las \textsl{registered} PALs fueron lanzadas a fines de la década de 1970s. Estas incluían un flip-flop en cada salida (luego de la compuerta OR en la Figura \ref{fig:pal-arch}), de esta manera permitió la implementación de funciones secuenciales (aunque muy simples).

La primeras tecnologías empleadas en la fabricación de los dispositivos PALs fue bipolar, con una tensión de alimentación de 5V y un consumo de corriente al rededor de 200mA. La máxima frecuencia rondaba los 100Mhz, y las celdas programables eran de PROM (\textsl{fuse links}) o EPROM (con un tiemp de borrado de 20min. UV).

\subsection{PLAs}

\label{sec:fund-pld-spld-pla}

Los PLA (\textsl{Programmable Logic Array}) fueron introducidos a mediados de 1970s (por Signetics Inc.). La arquitectura básica de un PLA se ilustra simbólicamente en la Figura \ref{fig:pla-arch}. Si comparamos esta arquitectura con la Figura \ref{fig:pal-arch}, se observa que la única diferencia fundamental entre estos es que mientras una PAL tiene compuertas AND programables y otras compuertas OR fijas, en el caso de las PLA \emph{ambas} (las compuertas AND y OR) son programables. De esta manera se logra una ventaja en la flexibilidad del diseño. Sin embargo, se presentan elevados tiempos de retardos en los nodos de conexión internos que reducen la velocidad de funcionamiento del circuito.

\begin{figure}

  \centering

  \includegraphics[width=0.5\textwidth]{PLA}

  \caption{Arquitectura básica de una PLA.}

  \label{fig:pla-arch}

\end{figure}

La tecnología que se empleó en la fabricación de las PLAs fue la misma que en el caso de las PALs. Aunque las PLAs se encuentran obsoletas actualmente, estos han reaparecido como parte de las arquitecturas de las primeras familias de los CPLDs de baja potencia, como por ejemplo la familia de los \emph{CoolRunner} (de Xilinx Inc.).

\subsection{GALs}

\label{sec:fund-pld-spld-gal}

La arquitectura de las GAL (\textsl{Generic} PAL) fueron introducidas por Lattice Inc. en los comienzos de 1980s. Este contenía varias mejoras sobre los primeros dispositivos PALs:

\begin{enumerate}

\item Se construyeron sealidas más sofisticadas de las celdas (\emph{Macrocell}), las que incluían, además de flip-flop, varias compuertas y multiplexores.

\item Las Macrocell eran programables, permitiendo varios modos de operación.

\item Una señal de ``retorno'' desde la salida a la Marocell al arreglo reprogramable se incluyó, confiriendo al circuito mayor versatilidad.

\item Se utilizaron EEPROM en lugar de la PROM o EPROM.

\end{enumerate}

Como se mencionó, la GAL es el único SPLD que todavía es fabricado en un encapsulado estándar. Además, éste también sirvió como parte en la construcción de la mayoría de los CPLDs.

La Figura \ref{fig:gal-arch} muestra un ejemplo de un dispositivo GAL, el GAL16V8. Este circuito cuenta con 16 entradas y 8 salidas, en un \textsl{package} de 20 pines. En cada salida hay una Macrocell (luego de la compuerta OR), que contiene, además del flip-flop, compuertas lógicas y multiplexores. Las interconexiones programables son representadas por pequeños círculos. Una señal de realimentación desde la Macrocell al arreglo programable puede también ser observado. Notar que esta arquitectura se asemeja directamente a la de la PAL (Figura \ref{fig:pal-arch}), excepto por la presencia de una macrocell en cada salida y la señal de realimentación.

\begin{figure}

  \centering

  \includegraphics[width=0.9\textwidth]{GAL}

  \caption{Dispositivo GAL 16V8.}

  \label{fig:gal-arch}

\end{figure}

Actualmente los dispositivos GALs usan tecnología CMOS, alimentados a 3.3V, tecnología EEPROM o Flash, y alcanzan frecuencias máximas que rondan los 250Mhz. Varias compañías fabrican estos dispositivos (Lattice, Atmel, Texas Instruments, etc.).

\section{CPLDs}

\label{sec:fund-pld-cpld}

La estructura fundamental en la arquitectura de los CPLDs se ilustra en la Figura \ref{fig:cpld-arch}. Como se puede ver, este consiste en varios PLDs (en general del tipo GAL) con una matriz de \textsl{switches} programables usadas para conectarlos todos juntos a al bloque de entrada y salida. Además, los CPLDs contiene normalmente otras características, como soporte JTAG e interfaz a otros estándares lógicos (1.8V, 2.5V, 5V, etc.).

\begin{figure}

  \centering

  \includegraphics[width=0.4\textwidth]{CPLD}

  \caption{Arquitectura básica de un CPLD.}

  \label{fig:cpld-arch}

\end{figure}

Son varias las compañías que fabrican CPLDs, entre las más reconocidas tenemos Xilinx, Altera, Lattice, Atmel, Cypress, etc. En las Tablas \ref{tab:char-cpld-xilinx} y \ref{tab:char-cpld-altera} se disponen de las características de dos CPLDs, Xilinx y Altera. Como puede verse, más ade 500 Macrocells y más de 10000 compuertas pueden encontrarse en estos dispositivos.

\begin{table}%[h]

  \centering

  {\footnotesize

    \begin{tabular}[c]{|m{0.2\textwidth}|m{0.2\textwidth}|m{0.2\textwidth}|m{0.2\textwidth}|}%{|l|l|l|l|}

      \hline

      Familia & \textbf{XC9500 (XVm, XL)} & \textbf{CoolRunner XPLA3} & \textbf{CoolRunner II} \\

      \hline

      Macrocell & 36 -- 288 & 32 -- 512 & 32 -- 512 \\

      \hline

      \textsl{System gates} & 800 -- 6,400 & 750 -- 12,000 & 750 -- 12,000 \\

      \hline

      Pines I/O & 34 --192 & 36 -- 260 & 33 -- 270 \\

      \hline

      Frec. máxima interna & 222 Mhz & 213 Mhz & 350 Mhz \\

      \hline

      \multirow{2}{*}{\textsl{Building Block}} & GAL 54V18 (XV, XL) & Bloques PLA & Bloques PLA \\

      & GAL 36V18 (--) & & \\

      \hline

      Voltaje & 2.5 V (XV), 3.3 V (XL), 5 V & 3.3 V & 1.8 V \\

      \hline

      Interconexiones & Flash & EEPROM & \\

      \hline

      Tecnología & 0.35 $\mu$ CMOS & 0.35 $\mu$ CMOS & 0.18 $\mu$ CMOS \\

      \hline

      Corriente estática & 11 -- 500 mA & < 0.1 mA & 22 $\mu$A -- 1 mA \\

      \hline

    \end{tabular}

  } % END \footnotesize{} segmentation

  \caption{Características de los CPLDs de Xilinx.}

  \label{tab:char-cpld-xilinx}

\end{table}

\begin{table}%[h]

  \centering

  {\footnotesize

    \begin{tabular}[c]{|m{0.2\textwidth}|m{0.2\textwidth}|m{0.2\textwidth}|m{0.2\textwidth}|}%{|l|l|l|l|}

      \hline

      Familia & \textbf{MAX7000 (B, AE, S)} & \textbf{MAX3000 (A)} & \textbf{MAX II (G)} \\

      \hline

      \multirow{2}{*}{Macrocell /} & 32 -- 512 macrocells & 32 -- 512 macrocells & 192 -- 1,700 macrocells \\

      LUTs & & & 240 -- 2,210 LUTs \\

      \hline

      \textsl{System gates} & 600 -- 10,000 & 600 -- 10,000 & \\

      \hline

      Pines I/O & 32 --512 & 34 -- 208 & 80 -- 272 \\

      \hline

      Frec. máxima interna & 303 Mhz & 227 Mhz & 304 Mhz \\

      \hline

      Voltaje & 2.5 V (B), 3.3 V (AE), 5 V (S) & 3.3 V & 1.8 V (G), 2.5 V, 3.3 V \\

      \hline

      Interconexiones & EEPROM & EEPROM & Flash + SRAM \\

      \hline

      \multirow{2}{*}{Tecnología} & 0.22 $\mu$ CMOS EEPROM & 0.3 $\mu$ & 0.18 $\mu$ \\

      & 4 capas de metal (7000 B) & 4 capas de metal & 6 capas de metal \\

      \hline

      Corriente estática & 9 -- 450 mA & 9 -- 150 mA & 2 --50 mA \\

      \hline

    \end{tabular}

  } % END \footnotesize{} segmentation

  \caption{Características de los CPLDs de Altera.}

  \label{tab:char-cpld-altera}

\end{table}

\section{FPGAs}

\label{sec:fund-pld-fpga}

Las FPGAs fueron introducidas al mercado por la empresa Xilinx Inc. a mediados de 1980s. Estos dispositivos se diferencian de los CPLDs en su arquitectura, tecnología de almacenamiento, funcionalidades integradas, y costo, y además están orientadas a la implementación de altos rendimientos y grandes tamaños en lo que se refiere a recursos de hardware.

La arquitectura básica de una FPGA se ilustra en la Figura \ref{fig:fpga-arch}. Esta consiste de una matriz de \emph{CLBs} (\textsl{Configurable Logic Blocks}), interconectados por un arreglo de matrices de conmutadores (\emph{\textsl{Switch Matrix}}). Para caracterizar con más detalle estos dispositivo se debe recurrir a la información de los fabricantes, donde además se puede disponer de un interfaz JTAG a diversos niveles lógicos, otra funcionalidad como memorias SRAM, multiplicadores de clock (PLL o DLL), interfaz PCI, etc. Algunos chips también incluyen bloques dedicados como multiplicadores, DPSs, y microprocesadores.

\begin{figure}

  \centering

  \includegraphics[width=0.4\textwidth]{fpga_arch}

  \caption{Arquitectura básica de una FPGA.}

  \label{fig:fpga-arch}

\end{figure}

Las FPGAs puede ser muy sofisticadas. La fabricación de chips con una tecnología CMOS de 90 nm., con nueve capas ed cobre y mas de 1000 pines de I/O, se encuentran actualmente disponible en el mercado. Algunos ejemplos de los empaquetados (\textsl{package}) de las FPGAs son ilustrados en la Figura \ref{fig:pkg-fpga}, en los cuales se puede apreciar uno de los \textsl{package} más pequeños (Fig. \ref{fig:pgk-fpga-vq100}) con 100 pines, un \textsl{package} de tamaño mediano (Fig. \ref{fig:pgk-fpga-csg324}) de 324 pines, y uno de los grandes \textsl{package} con 1156 pines (Fig. \ref{fig:pgk-fpga-ffg1156}.

\begin{figure}

  \centering

  \subfloat[\footnotesize{\textsl{Package} VQ100}]{\label{fig:pgk-fpga-vq100}\includegraphics[width=0.25\textwidth]{pkg100}}

  \qquad

  \subfloat[\footnotesize{\textsl{Package} CSG324}]{\label{fig:pgk-fpga-csg324}\includegraphics[width=0.25\textwidth]{pkg356}}

 \qquad

  \subfloat[\footnotesize{\textsl{Package} FFG1156}]{\label{fig:pgk-fpga-ffg1156}\includegraphics[width=0.25\textwidth]{pkg1156}}

  \caption{Diferentes \textsl{package} de las FPGAs comerciales.}

  \label{fig:pkg-fpga}

\end{figure}

Varias compañías fabrican FPGAs, como Xilinx., Actel, Altera, QuickLogic, Atmel, etc. Ejemplo de dos fabricantes (Xilinx y Actel) se disponen en las Tablas \ref{tab:char-fpga-xilinx} y \ref{tab:char-fpga-actel}. Como puede verse, estos dispositivos pueden contener miles de flip-flops y varios millones de compuertas lógicas.

\begin{table}%[h]

  \centering

  {\footnotesize

    \begin{tabular}[c]{|m{0.1\textwidth}|m{0.1\textwidth}|m{0.1\textwidth}|m{0.1\textwidth}|m{0.1\textwidth}|m{0.1\textwidth}|m{0.1\textwidth}|m{0.1\textwidth}|}

      \hline

      Familia & \textbf{Virtex II Pro} & \textbf{Virtex II} & \textbf{Virtex E} & \textbf{Virtex} & \textbf{Spartan 3} & \textbf{Spartan IIE} & \textbf{Spartan II} \\

      \hline

      CLBs & 352 -- 11.024 & 64 -- 11.648 & 384 -- 16.224 & 384 -- 6.144 & 192 -- 8.320 & 384 -- 3.456 & 96 -- 1.176 \\

      \hline

      Celdas Lógicas & 3.168 -- 125.136 & 576 -- 104.882 & 1.728 -- 73.008 & 1.728 -- 27.648 & 1.728 -- 74.880 & 1.728 -- 15.552 & 432 -- 5.292 \\

      \hline

      \textsl{System gates} &  & 40k -- 8M & 72k -- 4M &  58k -- 1.1M & 50k -- 5M &  23k -- 600k & 15k -- 200k \\

      \hline

      Pines de I/O & 204 -- 1200 & 88 -- 1108 & 176 -- 804 & 180 -- 512 &  124 -- 784 & 182 -- 514 & 86 -- 284 \\

      \hline

      Flip-flops & 2.816 -- 88.192 & 512 -- 93.184 & 1.392 -- 64.896 & 1.392 -- 24.576 & 1.536 -- 66.560 & 1.536 -- 13.824 & 384 -- 4.704 \\

      \hline

      Frec. máxima interna & 547 MHz &  420 MHz &  240 MHz & 200 MHz &  326 MHz & 200 MHz & 200 MHz \\

      \hline

      Voltaje & 1.5 V & 1.5 V & 1.8 V & 2.5 V & 1.2 V & 1.8 V & 2.5 V \\

      \hline

      Inter\-conexiones & SRAM &  SRAM &  SRAM &  SRAM &  SRAM &  SRAM &  SRAM \\

      \hline

      \multirow{3}{*}{Tecnología} & 0.13 $\mu$m & .15 $\mu$m & 0.18 $\mu$m & 0.22 $\mu$m & 0.09 $\mu$m & & \\

      & 9 capas de cobre & 8 capas de metal & 6 capas de metal & 5 capas de metal & 8 capas de metal & & \\

      & CMOS & CMOS & CMOS & CMOS &CMOS & & \\

      \hline

      SRAM bits (Bloques de RAM) & 216k -- 8M & 72k -- 3M & 64k -- 832k & 32k -- 128k & 72k -- 1.8M & 32k -- 288k & 16k -- 56k \\

      \hline

    \end{tabular}

  } % END \footnotesize{} segmentation

  \caption{Características de FPGAs fabricadas por Xilinx.}

  \label{tab:char-fpga-xilinx}

\end{table}

\begin{table}%[h]

  \centering

  {\footnotesize

    \begin{tabular}[c]{|m{0.13\textwidth}|m{0.13\textwidth}|m{0.13\textwidth}|m{0.13\textwidth}|m{0.13\textwidth}|m{0.13\textwidth}|}

      \hline

      Familia & \textbf{Accelerator} & \textbf{ProASIC} & \textbf{MX} & \textbf{SX} & \textbf{eX} \\

      \hline

      Módulos lógicos & 2.016 -- 32.256 & 5.376 -- 56.320 & 295 -- 2.438 & 768 -- 6.036 & 192 -- 768 \\

      \hline

      \textsl{System gates} & 125k -- 2M & 75k -- 1M & 3k -- 54k & 12k -- 108k & 3k -- 12k \\

      \hline

      Pines de I/O & 168 -- 684 & 204 -- 712 &  57 -- 202 &  130 -- 360 & 84 -- 132 \\

      \hline

      Flip-flops & 1.344 -- 21.504 & 5.376 -- 26.880 & 147 -- 1.822 & 512 -- 4.024 & 128 -- 512 \\

      \hline

      Frec. máxima interna & 500 MHz &  250 MHz &  250 MHz & 350 MHz &  350 MHz \\

      \hline

      Voltaje & 1.5 V & 2.5 V, 3.3 V & 3.3 V, 5 V & 2.5 V, 3.3 V, 5 V & 2.5 V, 3.3 V, 5 V \\

      \hline

      Inter\-conexiones & \textsl{Antifuse} &  \textsl{Flash} &  \textsl{Antifuse} & \textsl{Antifuse} & \textsl{Antifuse}\\

      \hline

      \multirow{3}{*}{Tecnología} & 0.15 $\mu$m & .22 $\mu$m & 0.45 $\mu$m & 0.22 $\mu$m & 0.22 $\mu$m \\

      & 7 capas de metal & 4 capas de metal & 3 capas de metal &  &  \\

      & CMOS & CMOS & CMOS & CMOS &CMOS \\

      \hline

      SRAM bits & 29 k -- 339 k & 14 k -- 198 k & 2.56 k & n.a. & n.a. \\

      \hline

    \end{tabular}

  } % END \footnotesize{} segmentation

  \caption{Características de FPGAs fabricadas por Actel.}

  \label{tab:char-fpga-actel}

\end{table}

Nótese que todas las FPGAs de Xilinx usan SRAM para almacenar las interconexiones, por lo que son reprogramables, pero volátiles (es así que requieren de una ROM externa). en cambio, las FPGAs de Actel son no-volátiles (estos usan fusibles electrónicos), pero no son reprogramables (excepto una familia, la cual usa memoria \textsl{Flash}). Ya que cada enfoque tiene sus propias ventajas y desventajas, la aplicación real dictará cual arquitectura de chip es la apropiada.

\nomenclature[z-pal]{PAL}{\textsl{Programmable Array Logic}}         % first letter Z is for Acronyms

\nomenclature[z-ff]{FF}{flip-flop, circuito que tiene dos estados estables y puede ser usado para almacenar información}

\nomenclature[z-palce]{PALCE}{\textsl{PAL CMOS Electrically erasable/programmable}}

\nomenclature[z-cpld]{CPLD}{\textsl{Complex Programmable Logic Device}}

\nomenclature[z-fpga]{FPGA}{\textsl{Field Programmable Gate Array}}

\nomenclature[z-eeprom]{EEPROM}{\textsl{Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory}}

\nomenclature[z-clb]{CLB}{\textsl{Configurable Logic Block}}

\nomenclature[z-sram]{SRAM}{\textsl{Static-RAM}}

\nomenclature[z-pll]{PLL}{\textsl{Phase-Locked Loop}}

\nomenclature[z-dll]{DLL}{\textsl{Delay-Locked Loop}}

\nomenclature[z-pci]{PCI}{\textsl{Peripheral Component Interconnect}}

\nomenclature[z-dsp]{DSP}{\textsl{Digital Signal Processor}}

\section{Lenguajes Descriptivos de \textsl{Hardware}}

\label{sec:fund-hdl}

La forma tradicional de diseñar circuitos digitales es dibujar diagramas lógicos que contengan compuertas (SSI) y funciones lógicos (MSI). Sin embargo, a fines de 1980s y comienzo de 1990s este proceso de diseño presentaba limitaciones como así algunos problemas. \emph{¿Como se puede dibujar diagramas esquemáticos que contienen cientos de miles o millones de compuertas?} Con la disponibilidad de los dispositivos lógicos programables para reemplazar sistemas donde se utilizaban integrados como los TTL, un nuevo enfoque para el diseño digital fue necesario. Las herramientas asistidas por computadoras son esenciales para diseñar circuitos digitales en la actualidad. Es claro que en las últimas décadas los ingenieros digitales de hoy diseñan sistemas digitales mediante la utilización de \textsl{software}! Esto es un importante cambio de paradigma del tradicional método empleado para el diseño de sistemas digitales\cite{Intro-Digital-Design}.

Actualmente los diseñadores digitales usan \emph{Lenguajes Descriptivos de \textsl{Hardware}} (HDLs) para diseñar sistemas digitales. Los lenguajes más utilizados son \emph{VHDL} y \emph{Verilog}. Ambos lenguajes descriptivos permiten al usuario diseñar sistemas digitales mediante la escritura de código que describen el comportamiento de un circuito digital. Este código puede ser utilizado tanto para \emph{simular} la operación del circuito y \emph{sintetizar} también implementarse dicho circuito en un CPLD, una FPGA o en un circuito integrado de aplicaciones específica (ASCI).

\subsection{VHDL}

\label{sec:fund-hdl-vhdl}

El lenguaje VHDL surgió como parte de un programa norteamericano denominado \textsl{Very High Speed Integrated Circuits} (VHSIC), a comienzos de 1980. En el desarrollo de la ejecución de este programa surgió la necesidad de contar con un lenguaje que permita describir la estructura y funciones para los circuitos integrados (ICs). Es así que el VHSIC \textsl{Hardware Description Language} (VHDL) fue desarrollado. Luego la IEEE adoptaría como un lennguaje estándar en los Estados Unidos.

VHDL fue diseñado para cubrir necesidades el proceso de diseño. Primero, este lenguaje permite la descripción de la estructura de un diseño, de esta forma se puede descomponer en sub-diseños, y a la vez como estos sub-diseños se interconectan entre sí. Segundo, VHDL permite la especificación de la función de los diseños usando las formas del lenguaje de programación similares a otros lenguajes familiares. Tercero, permite a un diseño ser simulado antes de ser fabricado, por lo que los diseñadores puede rápidamente compara alternativas y probar correciones sin el retardo y espera de los prototipos en \textsl{hardware}.

\subsection{Verilog}

\label{sec:fund-hdl-verilog}

Verilog esta basado en el lenguaje de programación C en la estructura de la sintaxis pero la manera en la que se comporta es diferentes pues es un lenguaje descriptivo. Este formato permitió una rápida aceptación por parte de los diseñadores de \textsl{hardware}.

Con el incremento en el éxito de VHDL, Cadence decidió hacer el lenguaje abierto y disponible para estandarización. Cadence transfirió Verilog al dominio público a través de Open Verilog International, actualmente conocida como Accellera. Verilog fue después enviado a la IEEE que lo convirtió en el estándar IEEE 1364-1995, habitualmente referido como Verilog 95.

\nomenclature[z-ssi]{SSI}{\textsl{Small Scale Integration}}         % first letter Z is for Acronyms

\nomenclature[z-msi]{MSI}{\textsl{Medium Scale Integration}}         % first letter Z is for Acronyms

\section{Diseño de sistemas digitales}

\label{sec:fund-sist-digitales}

En el proceso de enseñanza de los sistemas digitales se requiere de recursos físicos que complementen el contenido teórico. En la carrera de ingeniería electrónica de nuestra casa de estudio, las técnicas digitales se clasifican en cuatro niveles:

\begin{description}

\item[Técnicas Digitales I] el contenido comprende conceptos desde el Álgebra de Boole, funciones lógicas, sistema de numeración, codificadores/decodificadores, circuitos secuenciales, manejo de lenguajes descriptivos de \textsl{hardware}.

\item[Técnicas Digitales  II ] Métodos de discretización, convertidores AD/DA, microprocesadores, microcontroladores.

\item[Técnicas Digitales III] Instrumentación virtual, adquisición y acondicionamiento de señales (DAQ), redes de computadoras, DSP, sistemas lineales (convolución, correlación/autocorrelación y Fourier), interpolación/decimación (ventanas: rectangular, Hanning, Hamming, Blackman, Kaiser), filtros digitales.

\item[Técnicas Digitales IV] Arquitecturas de lógicas programables, sistemas de diseño para PLDs, procesado y mecanismos de simulación del lenguajes VHDL, síntesis, modelado con VHDL.

\end{description}

La tecnología lógica programable (PLD) es desarrollada en dos de las cuatro cátedras del área de \emph{técnicas digitales}. A mediados de la década del 2000, se comenzó a introducir fuertemente la posibilidad de implementar los diseños digitales sobre dispositivos PLD. Lo que ha requerido la capacitación de los docentes sobre esta tecnología. El Centro Universitario de Desarrollo en Automoción y Robótica fue quién innovó sobre la formación de recursos humanos para la transferencia de conocimientos y desarrollos para los laboratorios. Tal es así la inserción y actualización del área que la cátedra electiva \emph{Técnicas Digitales IV} surgió no hace más de cuatro años. Estos recursos tecnológicos fueron paulatinamente incluidos en las cátedras.

\section{Influencia de la Programabilidad}

\label{sec:infl-program}

En muchos textos la ley de Moore es usada para destacar la evolución de la tecnología de silicio en la industria de los dispositivos semiconductores. Poro hay otro interesante punto de vista particularmente para los dispositivos PLDs, la \emph{onda de Makimoto} que fue publicada por primera vez en Enero de 1991 por la revista \textsl{Electronics Weekly} \cite{FPGA-based-imple-of-sps}. Este concepto se basa en la observación de Tsugio Makimoto quién notó que la tecnología se desplazaba entre la \emph{estandarización} y la \emph{personalización} (véase la Figura \ref{fig:makimoto-wave}). En el comienzo de la década de 1960s, un número de componentes estándares fueron desarrollados, llamados series lógicas 7400 (por Texas Instruments). Dispositivos que servían para crear diversas aplicaciones digitales. Entrada la década de 1970s, la época de los dispositivos personalizados (LSI, siglas en inglés de \textsl{Low-Scape Integration}) comenzó a desarrollarse donde los chips eran creados para aplicaciones específicas como ser una calculadora. El chip fue incrementando su nivel de integración y así fue que nació el termino integración a media escala (MSI, siglas en inglés de \textsl{Medium-Scale Integration}). La evolución de los microprocesadores en la década de 1970s llevó a la estandarización de chips que fueran usados para un amplio rango de aplicaciones. Es entonces que en 1980s nació el ASIC (\textsl{Application-Specific Integrated Circuit}) donde el diseñador podría superar la limitación de la secuencialidad de los microprocesadores, quienes poseían varias limitaciones en aplicaciones en DSP (\textsl{Digital Signal Processing}) donde se requería un mayor nivel de cálculos. La aparición de la FPGA como un dispositivo con la capacidad de proporcionar recursos lógicos necesarios para conectar varios componentes entre sí llevo a que se conviertan en dispositivos populares.

\begin{figure}

  \centering

  \includegraphics[width=0.8\textwidth]{makimoto-wave}

  \caption{Onda de Makimoto.}

  \label{fig:makimoto-wave}

\end{figure}

Se podría considerar la existencia de dos épocas de la \emph{programabilidad} donde la \emph{primera} época ocurre con la aparición del microprocesador en la década de 1970s, donde los programadores desarrollan soluciones programables basados sobre estos \textsl{hardware} fijos. El gran reto en esta época fue en entorno de \textsl{software}; los desarrolladores trabajaban con lenguajes \textsl{assembly} e incluso cuando los compiladores y ensambladores surgieron para el lenguaje C, pues se obtenían mejores rendimientos con la codificación manual. Se comenzaron a obtener librerías que proporcionaban funciones básicas, permitiendo al diseñador concentrarse en la programación de la aplicación. Estas funciones actualmente son fácilmente accedidas desde los compiladores y ensambladores comerciales/libres. Actualmente hay una gran demanda de lenguajes de programación de alto-nivel como C y Java. Tal es así la abstracción del lenguaje que incluso entornos de desarrollos de alto nivel como UML están siendo implementados.

La \emph{segunda} época de la programabilidad se encuentra marcada por las FPGAs. En la Figura \ref{fig:makimoto-wave}, Makimoto indica que el campo de la programabilidad se estandariza para su fabricación y la personalización del diseño se encuentra en la capa de aplicación de un desarrollo con las tecnologías mencionadas. Esto puede ser considerado como lo que ofrece la programabilidad de \textsl{hardware} en el dominio del \textsl{software} donde el \textsl{hardware} permanece fijo. Esto es un reto fundamental como la mayoría de las herramientas de programación de computadora que trabajan sobre el principio de una plataforma de \textsl{hardware} fijo, lo que permite realizar optimizaciones ya que hay una orientación clara sobre la manera de mejorar el rendimiento de una representación algorítmica. Con las FPGAs, el usuario tiene plena libertad para definir la arquitectura que mejor se adapte a la aplicación. Sin embargo, esto presenta un problema en el que cada solución debe ser \emph{hecha a mano} y todos los diseñadores de \textsl{hardware} conocen los problemas en el diseño y verificación.

Algunas de las tendencias en las dos épocas tienen similitudes. En los primeros días, el modo esquemático (\textsl{schematic capture}) fue usado para diseñar los primeros circuitos que era sinónimo con el nivel \textsl{assembly} en programación. Los lenguajes de descripción de \textsl{hardware} como el VHDL y Verilog emergieron ya que podrían ser utilizados para producir un nivel de abstracción más alto con el objetivo de contar con una herramienta basada en C como son SystemC y CataultC de Mentor Graphics como un entorno único de programación. Inicialmente como con los lenguajes de programación de \textsl{software}, había una desconfianza en la calidad de los resultados que producía el código con este nuevo enfoque. Sin embargo, con el fin de mejorar los costos de desarrollo, las herramientas de síntesis que eran equivalentes a la evolución de los compiladores de \textsl{software} eficientes para los lenguaje de alto-nivel, y también la evolución de las funciones de librería, estableció un alto grado de confianza que posteriormente llevó al uso de los lenguajes descriptivos de \textsl{hardware} (HDLs) sean comnues para la implementación en FPGA. En efecto, el surgimiento de los IP-cores refleja la evolución de librerías como son funciones programables de entradas/salidas para el flujo del \textsl{software} donde funciones comunes fueron reutilizadas donde los desarrolladores confiaban en la calidad de los resultados que producían estas librerías, especialmente en lo que las presiones para producir más código en el mismo lapso de tiempo crecieron con la evolución tecnológica. Los primeros IP-cores surgieron a partir de funciones de librerías básicas en el procesamiento de señales complejas y funciones de comunicación la mayoría de estos suministrados por los proveedores de FPGA y diversos repositorios web de IP-cores.

\section{Actualización tecnológica de los recursos educativos}

\label{sec:act-tec-rec-edu}

Los anteriores conceptos alientan a la búsqueda, por parte de las instituciones académicas, de nuevas herramientas y materiales educativos que permitan a los estudiantes manipular nuevas tecnologías. Esto demanda por parte de las autoridades académicas que permitan la incorporación/modificación de las cátedras a fines. En la publicación \emph{``Actualización de la currícula - Incorporación de la lógica programable en ingenieria''} se plantea este reto \cite{PaperCayuela}. En esta publicación se propone modificar ligeramente el contenido de ciertas materias de las carreras de Ingeniería Electrónica e Ingeniería en Sistemas de Información, de la Universidad Tecnológica Nacional, para adecuarlas a la renovación tecnológica de la electrónica de consumo actual, que si bien aún no ha inundado Argentina, al punto de hacer absolutamente obsoletas las técnicas digitales discreta y de integración moderada, y las metodologías de diseño de sistemas, no va a pasar demasiado antes de que sea necesario un cambio radical en la industria, en el mercado de consumo masivo, y si seguimos a este ritmo, en última instancia en la educación técnica y tecnológica de nivel terciario-universitario.

\subsection{Análisis de contenidos en Ingeniería Electrónica e Ingeniería en Sistemas de Información }

En Ingeniería Electrónica, se introduce a

los alumnos a las tecnologías digitales de

procesamiento de información en materias

dictadas desde el primer año de cursado, a

saber: Informática I y II, Técnicas Digitales I, II y III.

El programa de Informática I de 1er año,

comienza por un pequeño despliegue de

conocimientos someros de arquitectura de

computadoras modernas, y continúa con la

enseñanza de la resolución algorítmica más

básica en programación, eligiendo primero

los diagramas de flujo, luego el

pseudocódigo, y por último el muy popular

lenguaje C, de medio y bajo nivel, por lo

que se pierde una gran cantidad de tiempo,

dada la repetición de temas con distintas

herramientas. Durante el 2o año en

Informática II, los alcances determinan una

ampliación de habilidades en C, tales como

las estructuras de datos entre otros temas, y

por último un corto (de vista) repaso de

conceptos de orientación a objetos, que no

llega a concretarse en mucha práctica con

C++.

En Técnicas Digitales I, de 3er año, se ven

los principios de lógica digital hasta diseño

secuencial, y se emplea en la parte práctica,

tecnología de baja escala de integración, los

muy conocidos y populares, TTL línea

7400 y CMOS línea 4000.

En Técnicas Digitales II, de 4o año, se

estudia no con mucho detalle, la clásica

arquitectura Intel X86.

En Técnicas Digitales III, de 5o año, se

tocan de oído los temas referidos al

desarrollo de sistemas de procesamiento

digital de señales, mediante programación

en C/C++ y Matlab® sobre DSPs

integrados o PCs con plataformas X86s.

En Ingeniería en Sistemas de Información,

debe tenerse en cuenta que la orientación no

es precisamente técnica, sino más bien

gerencial-administrativa; sin embargo, en

su base presenta suficientes materias de

contacto con Ingeniería Electrónica, y

sobre ellas discutiremos.

En Ingeniería en Sistemas de Información,

durante el último cuatrimestre del 1er año,

se dicta con mucho éxito la materia

Algoritmos y Estructuras de Datos (con

C/Java), que en contenido y extensión,

abarca prácticamente el total de las dos

Informáticas de Ingeniería Electrónica.

También en este cuatrimestre, se dicta la

materia Arquitectura de Computadoras, en

la que se ven temas varios de su correcto

nombre, sin pasar más abajo del nivel de

lógica digital y llegando hasta la

arquitectura de microprocesadores interna y

externa. En el 2o año, en la materia

Paradigmas de la Programación, se llegan

a ver entre otros, los paradigmas

concurrentes (con Ada), orientado a objetos

(Java/C++), funcional (Scheme/Lisp) y

lógico (Prolog).

\subsection{Propuesta de modificación de contenido}

Lo primero que se propone en este caso, es

unificar contenidos entre las materias de

programación de los primeros años de

ambas ingenierías, mas no tal vez su

dictado conjunto, para poder hacer énfasis

individuales sobre las especializaciones de

estos temas en cada carrera por aparte.

Así, nos quedaría una primera materia

Informática I dentro de Ingeniería

Electrónica, equivalente a Algoritmos y

Estructuras de Datos de Ingeniería en

Sistemas de Información, pero de duración

anual, lo cual puede ser una ventaja para la

maduración de los temas, aunque de carga

horaria equivalente similar, la mitad por

semana dado su doble extensión temporal

anual.

En el 2do. año en Ingeniería Electrónica, la

materia Informática II, también anual,

tendría tiempo suficiente para incluir

extensamente el paradigma orientado a

objetos con C++, muy importante para la

formación del ingeniero electrónico, y tan

importante como el anterior, incluir el

paradigma concurrente, enseñado mediante

ejemplos en VHDL con simuladores, para

de esta forma, preparar al alumno para las

técnicas digitales sobre FPGAs, sin tener

que comenzar desde cero con un lenguaje

de descripción de hardware, en el 3er año.

En cuanto a Ingeniería en Sistemas de

Información, en la materia Arquitectura de

Computadoras, se podría introducir

descripciones de microprocesadores y otros

circuitos en VHDL con simuladores,

facilitando la ampliación del paradigma

concurrente en VHDL/Ada del siguiente

año. Ya en Paradigmas de la

Programación del 2o año, podría emplearse

el lenguaje VHDL junto al Ada (dado que

este último es un antecesor del primero),

para unificar temas entre materias de los

dos niveles y compartir contenidos por un

lado, y por otro, para mostrar a los alumnos

plataformas de hardware (y no solo las

X86s) que se programan directamente con

ese paradigma, a la cual algunos tal vez

podrían dedicar esfuerzos en el futuro,

siendo también una forma de entablar

algunos puentes de unión entre estas dos

carreras parientes, aunque no cercanos.

Como segundo paso, convendría la

incorporación temprana en Técnicas

Digitales I, de temas de lógica

reconfigurable, y dado que VHDL ya se

habría visto con mediana intensidad durante

el año anterior, se puede concentrar la

atención en el diseño de hardware, y en la

descripción del mismo mediante estas

técnicas, algo ajenas al diseño discreto

convencional, del que se puede ver un poco,

tan solo para no dejar de lado, que aun hoy

una buena parte de la industria tiene

implantados con esta tecnología mucho de

su infraestructura, a la cual sin duda deberá

darse mantenimiento; sin embargo el

siguiente paso es la modernización de esa

misma infraestructura con estas nuevas

herramientas, para lo cual este cambio sería

instrumental.

Luego en Técnicas Digitales II, se puede

ver no solo la arquitectura X86, sino otras

variantes tan importantes en la industria

como ella, directamente en VHDL con

implementación sobre placas de trabajo

construidas      alrededor       de    lógica

programable, con lo cual no se queda en

teoría el diseño ni de microprocesadores

(irrealizable con electrónica discreta salvo

en simulación) ni de arquitectura externa al

micro.

Finalmente en Técnicas Digitales III, todo

los temas referidos al procesamiento digital

de señales, se pueden aprender con VHDL

y arquitecturas construidas en FPGAs, dado

que son en muchos casos la elección

prioritaria,     complementándolas       con

tecnología DSP integrada o embebida en

FPGAs.

En la Figura \ref{fig:actualizacion-tecnicas}, podemos ver un esquema

sintético de la propuesta.

\begin{figure}

  \centering

  \includegraphics[width=0.8\textwidth]{actualizacioncurricula}

  \caption{Propuesta de modificación de contenido a las carreras de Ingeniería Electrónica e Ingeniería en Sistemas de Información.}

  \label{fig:actualizacion-tecnicas}

\end{figure}

\subsection{Un atisbo de cambio en nuestra carrera}

En el CUDAR (Centro Universitario de

Desarrollo en Automación y Robótica),

decidimos colaborar con la incorporación

de estas modificaciones, en principio,

limitados a las materias de Técnicas

Digitales de Ingeniería Electrónica.

Se lo propusimos a los profesores titulares

de cada materia, sin la necesidad de

cambiar los programas, pero incorporando

las herramientas y el lenguaje VHDL en

las tres. Estuvieron de acuerdo y

propusieron un cambio mayor en los

contenidos, a lo que nosotros dimos

nuestro apoyo.

Para ello, el secretario de Ciencia y

Técnica de la Facultad Regional Córdoba,

instrumentaría un presupuesto, cuando sea

posible, para el equipamiento de

laboratorios con tecnología de lógica

programable, es decir con placas

experimentales y estaciones de trabajo con

software adecuado.

Además, para poder realizar esta

renovación, puede recurrirse a los

programas universitarios de empresas

como Xilinx \cite{XilinxUni} y Altera \cite{AlteraUni}, que donan

hardware y disponen de entornos de

desarrollo y simuladores gratuito.

Otra alternativa que evaluamos fue el

diseño en casa, de pequeñas placas de

trabajo construidas con CPLDs, aunque

nos topamos con la dificultad de la falta de

proveedores adecuados. Finalmente las

diseñamos y probamos, pero nos

encontramos que al querer conseguir

CPLDs y FPGAs de bajo precio nominal,

los distribuidores para Argentina de Xilinx

y Altera no dan gran importancia a los

programas universitarios de esas empresas,

generando además sobreprecios, aún

cuando      los    precios    sean    bajos

originalmente, con detalles como compra

de una cantidad mínima por componente,

gastos de envío entre Buenos Aires y el

interior con valores de transporte

internacional, etc.

\subsection{Resultados}

A partir del año 2006, colaboramos

activamente en la incorporación de temas

de lógica programable en el dictado de la

materia Técnicas Digitales I, a través del

titular de la cátedra y un profesor de

trabajos prácticos, ambos integrantes del

CUDAR, a los que asistimos con material

de lectura, prácticos y exposiciones

preparadas en filminas sobre la tecnología

interna de los dispositivos programables.

También hemos terminado con las etapas

de diseño y pruebas de un Kit de desarrollo

educativo con CPLD \cite{PaperKitCPLD}, que dejamos

disponible libremente para su construcción

por parte de los alumnos, y a partir de este

año se utilizará en la materia Técnicas

Digitales I como herramienta de trabajos

prácticos. Asimismo, el departamento

Ingeniería Electrónica ha dispuesto

incorporar este kit en el Laboratorio de

Técnicas Digitales, esfuerzo que está

siendo coordinado por nosotros desde el

CUDAR.

A propuesta nuestra también, a partir de

2007, dictaremos la materia electiva del 6to.

año de Ingeniería Electrónica, dedicada a

la lógica programable, y bautizada como

Técnicas Digitales IV.

% Aquí se podría poner algo sobre el paper "The Role of the Laboratory in Undergraduate Engineering Education".

 %\begin{landscape}

 % \section*{Subplots}

 % I can cite Wall-E (see Fig.~\ref{fig:WallE}) and Minions in despicable me (Fig.~\ref{fig:Minnion}) or I can cite the whole figure as Fig.~\ref{fig:animations}

 % \begin{figure}

 %   \centering

 %   \subfloat[A Tom and Jerry]{\label{fig:TomJerry}\includegraphics[width=0.3\textwidth]{TomandJerry}}

 %   \subfloat[A Wall-E]{\label{fig:WallE}\includegraphics[width=0.3\textwidth]{WallE}}

 %   \subfloat[A Minion]{\label{fig:Minnion}\includegraphics[width=0.3\textwidth]{minion}}

 %   \caption{Best Animations}

 %   \label{fig:animations}

 % \end{figure}

 % \end{landscape}