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1 299 guanucolui 
 
2 
\chapter{Desarrollos de Referencia}
3 
\label{chap:dev-ref}
4 
 
5 
\ifpdf
6 
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7 
\else
8 
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9 
\fi
10 
 
11 
En la actualidad todos los desarrollos en recursos físicos basados en dispositivos lógicos programables son de origen extranjero. Se puede encontrar desarrollos nacionales pero estos no son comercializados por ningún emprendimiento local. Esta situación no es necesariamente por falta de recursos humanos calificados, sino por la demanda de la industria nacional. De todas formas el proyecto \emph{Plataforma de Hardware Reconfigurable} pretende abrir camino hacia el desarrollo de plataformas educativas que permitan la difusión del diseño digital utilizando estos dispositivos PLDs.
12 
 
13 
Los desarrolladores de este proyecto, la mayoría de ellos miembros investigadores del CUDAR\footnote{Centro Universitario de Desarrollo en Automoción y Robótica -- Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Córdoba.}, cuentan con experiencia en el manejo de plataformas evaluadoras basadas en CPLDs/FPGAs. Además, como se describió en el Capítulo \ref{chap:antecedentes}, el Centro tiene antecedentes en el desarrollo de plataformas educativas y la transferencia de recursos físicos a Laboratorios e Instituciones Académicas.
14 
 
15 
\section{Desarrollos comerciales}
16 
\label{sec:desa-referencia}
17 
 
18 
En el mercado internacional existen varias empresas desarrolladoras de plataformas evaluadoras con dispositivos PLDs. Las principales empresas fabricantes de sistemas embebidos basados en dispositivos PLDs son Xilinx, Altera y Digilent. Estos fabricantes desarrollan plataformas para determinados perfiles de usuarios. En la Sección \ref{sec:infl-program} se realiza un análisis sobre la importancia de la flexibilidad que presentan los dispositivos programables como las FPGAs, y esta posibilidad de reconfigurar su arquitectura permite implementar esta tecnología en diferentes aplicaciones. Las líneas de desarrollo más destacadas son,
19 
 
20 
\begin{itemize}
21 
\item Sistemas de comunicaciones digitales
22 
\item Procesamiento de Señales Digitales (DSP)
23 
\item Automoción
24 
\end{itemize}
25 
 
26 
A continuación se describe algunas de los desarrollos fabricados por las empresas anteriormente nombradas. De esta manera se pretende dilucidar los perfiles de plataformas y lo que se ofrece en el mercado.
27 
 
28 
\subsection{Xilinx Spartan-6 FPGA LX9 MicroBoard}
29 
\label{sec:placa-xilinx-avnet}
30 
 
31 303 guanucolui 
La plataforma \emph{Spartan-6 FPGA LX9 MicroBoard} ofrece un completo entorno de \textsl{hardware} para que los diseñadores aceleren su tiempo de desarrollo y comercialización \cite{Xilinx-MicroBoard}. Este kit presenta una estable plataforma para desarrollar y testear diseños de bajo costo/consumo de potencia sobre la familia de FPGA Xilinx Spartan-6. Esta placa contiene las siguientes características\footnote{La características se las describe tal cual las hojas de datos publicadas por los fabricantes, con su idioma original.}.
32 299 guanucolui 
 
33 
\begin{itemize}
34 
\item FPGA
35 
  \begin{itemize}
36 
  \item Xilinx Spartan-6 XC6SLX9-2CSG324C FPGA
37 
  \end{itemize}
38 
\item Clocks
39 
  \begin{itemize}
40 
  \item Triple output, user programmable, Texas Instruments CDCE913 clock
41 
  \item  Optional user installable Maxim DS1088LU-66+, low-cost, fixed-frequency oscillator
42 
  \end{itemize}
43 
\item Memory
44 
  \begin{itemize}
45 
  \item  32 Mb x 16 (512 Mb) Micron LPDDR Mobile SDRAM component.
46 
  \item  128 Mb Micron Multi-I/O SPI Flash
47 
  \end{itemize}
48 
\item Communication
49 
  \begin{itemize}
50 
  \item  One USB 2.0, Full Speed USB-to- JTAG bridge via Atmel AT90USB162, Digilent JTAG firmware, and Tyco USB-A connector
51 
  \item  One USB 2.0, Full Speed USB-to-UART bridge via Silicon Labs CP2102 and Tyco Micro-B connector.
52 
  \item  One 10/100 Ethernet port via National Semiconductor DP83848J PHY and Tyco RJ45 connector with Integrated Magnetics.
53 
  \end{itemize}
54 
\item User I/O and Expansion Connectors
55 
  \begin{itemize}
56 
  \item Two Digilent 12-pin, 0.245mm pitch, Peripheral Module (PMOD) headers support 3rd party expansion modules.
57 
  \end{itemize}
58 
\item User Interfaces
59 
  \begin{itemize}
60 
  \item  Four user LEDs
61 
  \item  Four configurable FPGA user DIP switches
62 
  \item  Two system push-button switches: one tied to user I/O and used for logical reset in the factory test image, one hardwired for FPGA program initialization.
63 
  \end{itemize}
64 
\item Power
65 
  \begin{itemize}
66 
  \item  Texas Instruments TPS65708 PMU multi-channel regulator, with 5V input supplied by either USB connection.
67 
  \end{itemize}
68 
\item Configuration
69 
  \begin{itemize}
70 
  \item  128Mb SPI Configuration Flash
71 
  \item  On-board USB Programming/Configuration based on the Digilent USB Full Speed JTAG design utilizing the Atmel AT90USB162
72 
  \item  Xilinx Compatible JTAG Cable
73 
  \end{itemize}
74 
\end{itemize}
75 
 
76 
\begin{figure}
77 
  \centering
78 
  \includegraphics[width=0.5\textwidth]{AES-S6MB-LX9}
79 
  \caption{Placa Xilinx Spartan-6 FPGA LX9 MicroBoard.}
80 
  \label{fig:xilinx-avnet-lx9}
81 
\end{figure}
82 
 
83 
\subsection{Altera DE0-Nano}
84 
\label{sec:altera-de0-nano}
85 
 
86 303 guanucolui 
La placa \emph{DE0-Nano} presenta una plataforma de desarrollo FPGA en un tamaño compacto adecuado para un gran rango de diseños portables, tales como robótica y móviles. EL DE0-Nano es ideal para usar con \textsl{soft processors} embebidos. Esto se debe a las potentes características que presenta con la FPGA Altera Cyclone IV (con 22,230 celdas lógicas), 32MB de SDRAM, 2 Kb de EEPROM, y un dispositivo de memoria de configuración serial de 64Mb. En fin, es un desarrollo completo con todos los recursos físicos necesarios para la evaluación y prueba de sistemas embebidos \cite{Altera-de0-nano}. A continuación se listan lo que ofrece esta plataforma.
87 299 guanucolui 
 
88 
\begin{itemize}
89 
\item Featured device
90 
  \begin{itemize}
91 
  \item Altera Cyclone® IV EP4CE22F17C6N FPGA
92 
  \item 153 maximum FPGA I/O pins
93 
\end{itemize}
94 
\item Configuration status and set-up elements
95 
  \begin{itemize}
96 
  \item On-board USB-Blaster circuit for programming
97 
  \item Spansion EPCS64
98 
  \end{itemize}
99 
\item Expansion header
100 
  \begin{itemize}
101 
  \item Two 40-pin Headers (GPIOs) provide 72 I/O pins, 5V power pins, two 3.3V power pins and four ground pins
102 
  \end{itemize}
103 
\item Memory devices
104 
  \begin{itemize}
105 
  \item 32MB SDRAM
106 
  \item 2Kb I2C EEPROM
107 
  \end{itemize}
108 
\item General user input/output
109 
  \begin{itemize}
110 
  \item 8 green LEDs
111 
  \item 2 debounced pushbuttons
112 
  \item 4-position DIP switch
113 
  \end{itemize}
114 
\item G-Sensor
115 
  \begin{itemize}
116 
  \item ADI ADXL345, 3-axis accelerometer with high resolution (13-bit)
117 
  \end{itemize}
118 
\item A/D Converter
119 
  \begin{itemize}
120 
  \item NS ADC128S022, 8-Channel, 12-bit A/D Converter
121 
  \item 50 Ksps to 200 Ksps
122 
  \end{itemize}
123 
\item Clock system
124 
  \begin{itemize}
125 
  \item On-board 50MHz clock oscillator
126 
  \end{itemize}
127 
\item Power Supply
128 
  \begin{itemize}
129 
  \item USB Type mini-AB port (5V)
130 
  \item DC 5V pin for each GPIO header (2 DC 5V pins)
131 
  \item 2-pin external power header (3.6-5.7V)
132 
  \end{itemize}
133 
\end{itemize}
134 
 
135 
\begin{figure}
136 
  \centering
137 
  \includegraphics[width=0.5\textwidth]{de0-nano}
138 
  \caption{Placa DE0-Nano.}
139 
  \label{fig:altera-de0-nano}
140 
\end{figure}
141 
 
142 
 
143 
\subsection{Digilent Spartan-3 Board}
144 
\label{sec:digilent-spartan3-board}
145 
 
146 303 guanucolui 
La placa \emph{Spartan-3 Starter Board} proporciona una potente y autónoma plataforma de desarrollo para diseños basados en la FPGA Spartan-3 de Xilinx. Ésta cuenta con 200K compuertas, dispositivos de entrada y salidas, y una memoria SRAM rápida de 1MB; haciendo esta una perfecta plataforma para experimentar con diferentes diseños desde simples circuitos lógicos a implementación de procesadores embebidos \cite{Digilent-Spartan-3}. La placa también contiene un dispositivo PROM programable por JTAG, por lo que los diseños puede fácilmente ser no volátiles. Las características de esta plataforma se describen a continuación.
147 299 guanucolui 
 
148 
\begin{itemize}
149 
 
150 
\item 200,000-gate Xilinx Spartan-3 XC3S200 FPGA in a 256-ball thin Ball Grid Array package (XC3S200FT256)
151 
  \begin{itemize}
152 
    \item 4,320 logic cell equivalents
153 
    \item Twelve 18K-bit block RAMs (216K bits)
154 
    \item Twelve 18x18 hardware multipliers
155 
    \item Four Digital Clock Managers (DCMs)
156 
    \item Up to 173 user-defined I/O signals
157 
  \end{itemize}
158 
 
159 
\item 2Mbit Xilinx XCF02S Platform Flash, in-system programmable configuration PROM
160 
\item   1Mbit non-volatile data or application code storage available after FPGA configuration
161 
 
162 
\item 1M-byte of Fast Asynchronous SRAM
163 
  \begin{itemize}
164 
  \item   Two 256Kx16 ISSI IS61LV25616AL-10T 10 ns SRAMs
165 
  \item   Configurable memory architecture
166 
    \begin{itemize}
167 
    \item Single 256Kx32 SRAM array, ideal for MicroBlaze code images
168 
    \item Two independent 256Kx16 SRAM arrays
169 
    \end{itemize}
170 
  \item   Individual chip select per device
171 
  \item   Individual byte enables
172 
  \end{itemize}
173 
 
174 
\item 3-bit, 8-color VGA display port
175 
 
176 
\item 9-pin RS-232 Serial Port
177 
  \begin{itemize}
178 
  \item   DB9 9-pin female connector (DCE connector)
179 
  \item   RS-232 transceiver/level translator
180 
  \item   Uses straight-through serial cable to connect to computer or workstation serial port
181 
  \item   Second RS-232 transmit and receive channel available on board test points
182 
  \end{itemize}
183 
 
184 
\item PS/2-style mouse/keyboard port
185 
\item Four-character, seven-segment LED display
186 
\item Eight slide switches
187 
\item Eight individual LED outputs
188 
\item Four momentary-contact push button switches
189 
\item 50 MHz crystal oscillator clock source
190 
\item Socket for an auxiliary crystal oscillator clock source
191 
\item FPGA configuration mode selected via jumper settings
192 
\item Push button switch to force FPGA reconfiguration (FPGA configuration happens automatically at power-on)
193 
\item LED indicates when FPGA is successfully configured
194 
 
195 
\item Three 40-pin expansion connection ports to extend and enhance the Spartan-3 Starter Kit Board
196 
  \begin{itemize}
197 
  \item   See www.xilinx.com/s3boards for compatible expansion cards
198 
  \item   Compatible with Digilent, Inc. peripheral boards
199 
  \item   FPGA serial configuration interface signals available on the A2 and B1 connectors
200 
    \begin{itemize}
201 
    \item   PROG\_B, DONE, INIT\_B, CCLK, DONE
202 
    \end{itemize}
203 
  \end{itemize}
204 
 
205 
\item JTAG port      for low-cost download cable
206 
\item Digilent JTAG download/debugging cable connects to PC parallel port
207 
\item JTAG download/debug port compatible with the Xilinx Parallel Cable IV and MultiPRO Desktop Tool
208 
\item AC power adapter input for included international unregulated +5V power supply
209 
\item Power-on indicator LED
210 
\item On-board 3.3V, 2.5V, and 1.2V regulators
211 
\end{itemize}
212 
 
213 
\begin{figure}
214 
  \centering
215 
  \includegraphics[width=0.5\textwidth]{S3BOARD-top}
216 
  \caption{Placa S3BOARD.}
217 
  \label{fig:digilent-s3board}
218 
\end{figure}
219 
 
220 
Todos los desarrollos anteriormente vistos, como se mencionó al comienzo de este Capítulo, son manufacturados en el exterior del país. Los requerimientos tecnológicos para poder lograr estos productos son complejos pero no necesariamente alejado a la realidad de nuestra región. En el país se tiene algunas experiencias de plataformas basadas en FPGA.
221 
 
222 
\section{Desarrollos nacionales}
223 
\label{sec:desarrollos-nacionales}
224 
 
225 
En nuestra región las tecnologías PLD se encuentran integradas en varias líneas de investigación y desarrollos hace algunos años. Instituciones gubernamentales de defensa como es el \emph{Instituto de Investigación Científica y Técnicas para la Defensa} que en una de sus líneas de desarrollo implementa algunos sistemas electrónicos de adquisición de datos controlados con FPGA. Así también otros organismos vinculados al área aeroespaciales y comunicaciones como la \emph{Comisión Nacional de Actividades Espaciales} están implementando dispositivos como FPGAs y CPLDs en sus sistemas electrónicos. Además existe una constante actualización por parte de las instituciones académicas en los programas analíticos de las carreras relacionadas a los sistemas embebidos. El Instituto Nacional de Tecnología Industrial impulsa un proyecto denominado \emph{FPGALibre}. Este proyecto busca desarrollar y brindar herramientas de \textsl{software} libre y diseños de \textsl{hardware} abiertos para trabajar con tecnologías FPGA.
226 
 
227 
\subsection{S2PROTO}
228 
\label{sec:s2proto}
229 
 
230 303 guanucolui 
Desarrollado por el \emph{Instituto Nacional de Tecnología Industrial} (INTI), el S2PROTO es el resultado de un laboratorio de \emph{Software Libre} de dicha organización estatal. La \emph{Unidad Técnica en Informática y Control} (UTIC) sostiene un proyecto libre llamado FPGALibre que alberga a desarrolladores que tengan intensiones de compartir sus proyectos basados en PLDs \cite{Paper-S2proto}.
231 299 guanucolui 
 
232 
\begin{figure}
233 
  \centering
234 
  \includegraphics[width=0.5\textwidth]{S2PROTO}
235 
  \caption{Placa S2PROTO.}
236 
  \label{fig:inti-s2proto}
237 
\end{figure}
238 
 
239 
Algunas de las principales características del circuito son,
240 
\begin{itemize}
241 
\item Diseño brindado bajo licencia GPL para permitir su libre utilización, implementación, modificación y comercialización.
242 
\item Diseño ensamblado y probado.
243 
\item Desarrollado y probado con herramientas de software libre: Kicad y GNU jtag.
244 
\item Impreso doble faz de 12x10 cm de fácil fabricación en el país y posibilidad de montaje manual de los componentes.
245 
\item Soporte para dispositivos Xilinx Spartan II PQ208 (hasta XC2S150 equivalente a 150.000 compuertas).
246 
\item Puerto de niveles RS-232 para implementar transmisión y recepción serie.
247 
\item Puerto JTAG compatible con el cable Parallel III de Xilinx, también conocido como DLC5. Circuito realizado en Kicad, y también disponible en el proyecto FPGA Libre.
248 
\item 152 pines de I/O disponibles para el usuario, distribuidos en cinco conectores. Estos permiten conectar plaquetas adicionales con pulsadores, leds, displays, etc.
249 
\item Conector USB tipo B y driver para soportar niveles estándares USB.
250 
\item Alimentación simple de 5 V CC.
251 
\end{itemize}
252 
 
253 
\subsection{S3PROTO-MINI}
254 
\label{sec:s3proto-mini}
255 
 
256 
Continuando con las ideas abordadas en la S2PROTO se encaró un proyecto con Spartan-3 y encapsulado BGA. El primer resultado es la S3PROTO-MINI.
257 
 
258 303 guanucolui 
La tarjeta S3PROTO-MINI es una plataforma básica y simple de hardware libre para desarrollo con FPGA. Posee un dispositivo Xilinx Spartan 3E (XC3S1600E) con encapsulado BGA de 320 pads. Utiliza el módulo de alimentación triple S3Proto, también disponible como hardware libre \cite{Paper-S3proto}.
259 299 guanucolui 
 
260 
\begin{figure}
261 
  \centering
262 
  \includegraphics[width=0.5\textwidth]{S3PROTO-MINI}
263 
  \caption{Placa S3PROTO-MINI.}
264 
  \label{fig:inti-s2proto-mini}
265 
\end{figure}
266 
 
267 
Las principales características de esta plataforma son,
268 
\begin{itemize}
269 
\item Dispositivo FPGA Xilinx Spartan 3E (XC3S1600E) de 33.192 celdas lógicas.
270 
\item 2 Memorias de configuración XCF04S (4+4 Mbit).
271 
\item USB Transceiver TUSB1106 de 12 Mb/s (Full Speed) con conector tipo B.
272 
\item 2 Puertos seriales RS232 de hasta 300Kbps (ST3232). Uno con conector DB-9.
273 
\item 4 Pulsadores.
274 
\item 5 Dip switch.
275 
\item 4 LEDs.
276 
\item 1 Puerto JTAG.
277 
\item 26 Pines de I/O.
278 
\item Oscilador con zócalo.
279 
\item Alimentación simple de 5V.
280 
\item Dimensiones de 7x7 cm.
281 
\end{itemize}
282 
 
283 
Estas primeras experiencias locales resulta alentadoras para realizar nuestros propios recursos académicos para la enseñanza de tecnologías programables como son los PLDs. Si bien los proyectos realizados por el INTI aún no se encuentran comercializados, se encuentran antecedentes de la transferencia de estos desarrollos a instituciones académicas.
284 
 
285 
Tantos los desarrollos comerciales como los académicos presentan perfiles de \textsl{hardware} similares y no es casualidad pues son los recursos que se necesitan para la enseñanza y ejercitación en un ámbito académicos y de protipado. Por lo tanto son estos diseños que nos sirven como referencias para plantear y definir que recursos físicos se debe disponer para la \emph{Plataforma de Hardware Reconfigurable}.

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