| Line 446... |
Line 446... |
Las áreas académicas vinculadas a la electrónica y la computación se encuentran en constante demanda de recursos educativos de hardware y software en virtud de potenciar los conocimientos de los estudiantes. En el caso de las tecnologías con poca difusión o implementación en la industria regional, la principal opción en la importación de plataformas educativas adquiridas a empresas destinadas a la manufacturación de sistemas embebidos. Estas plataformas comerciales se clasifican según su implementación por lo que no siempre cubren los requerimientos académicos. Por ejemplo, en el área de las técnicas digitales, los requerimientos de hardware para las cátedras iniciales difieren de las cátedras avanzadas. Esta situación presenta la oportunidad de desarrollar una plataforma a la medida de las necesidades de las instituciones académicas. Si se dispone de las especificaciones por parte de los docentes, la articulación de otras unidades académicas como laboratorios y grupos de investigación, es posible obtener un desarrollo que cubra las expectativas y aliente a la producción regional de plataformas educativas en un marco de transferencia de tecnología.
|
Las áreas académicas vinculadas a la electrónica y la computación se encuentran en constante demanda de recursos educativos de hardware y software en virtud de potenciar los conocimientos de los estudiantes. En el caso de las tecnologías con poca difusión o implementación en la industria regional, la principal opción en la importación de plataformas educativas adquiridas a empresas destinadas a la manufacturación de sistemas embebidos. Estas plataformas comerciales se clasifican según su implementación por lo que no siempre cubren los requerimientos académicos. Por ejemplo, en el área de las técnicas digitales, los requerimientos de hardware para las cátedras iniciales difieren de las cátedras avanzadas. Esta situación presenta la oportunidad de desarrollar una plataforma a la medida de las necesidades de las instituciones académicas. Si se dispone de las especificaciones por parte de los docentes, la articulación de otras unidades académicas como laboratorios y grupos de investigación, es posible obtener un desarrollo que cubra las expectativas y aliente a la producción regional de plataformas educativas en un marco de transferencia de tecnología.
|
|
|
En el proceso de aprendizaje de las denominadas Técnicas Digitales necesariamente se debe implementar los diseños digitales. Desde el Álgebra de Bool, con operaciones digitales simples, hasta la implementación de un microprocesador son prácticas comunes de los sistemas digitales lógicos y resulta fundamental su ejercitación para concluir el ciclo de enseñanza.
|
En el proceso de aprendizaje de las denominadas Técnicas Digitales necesariamente se debe implementar los diseños digitales. Desde el Álgebra de Bool, con operaciones digitales simples, hasta la implementación de un microprocesador son prácticas comunes de los sistemas digitales lógicos y resulta fundamental su ejercitación para concluir el ciclo de enseñanza.
|
|
|
Al comienzo de la década de los 90s surgieron varios trabajos donde se planteaba la necesidad de una plataforma educativa orientada a la implementación de diseños lógicos digitales basados en PLDs. Los principales demandantes de estas plataformas eran diseñadores de arquitecturas de microprocesadores \cite{ASArev.1}, desarrollos que años anteriores resultaban imposibles por el costo de la implementación en hardware. El avance en el proceso de integración de los circuitos integrados han llevado a que se desarrollen plataformas más complejas que ofrecen una gran cantidad de recursos de hardware. Al día de hoy se han generado varios proyectos desarrollados por instituciones académicas \cite{FPGA-platform-CPU-design}\cite{Low-Cost-Interactive-Rapid-Prototyping}\cite{FPGA-Based-Experiment-Platform-for-Multi-Core-System}, otras con especificaciones abiertas \cite{Building-an-Evolvable-Low-Cost-HWSW-Platform}\cite{NetFPGA} y también con fines comerciales \cite{Port-Emb-Linux-XUP-Virtex-II.Dev-Board}. Todos estos trabajos tienen algunas características en común:
|
Al comienzo de la década de los 90s surgieron varios trabajos donde se planteaba la necesidad de una plataforma educativa orientada a la implementación de diseños lógicos digitales basados en PLDs. Los principales demandantes de estas plataformas eran diseñadores de arquitecturas de microprocesadores \cite{ASArev.1}, desarrollos que años anteriores resultaban imposibles por el costo de la implementación en hardware. El avance en el proceso de integración de los circuitos integrados han llevado a que se desarrollen plataformas más complejas que ofrecen una gran cantidad de recursos de hardware. Al día de hoy se han generado varios proyectos desarrollados por instituciones académicas \cite{FPGA-platform-CPU-design}\cite{Low-Cost-Interactive-Rapid-Prototyping}\cite{FPGA-Based-Experiment-Platform-for-Multi-Core-System}, otras con especificaciones abiertas \cite{Building-an-Evolvable-Low-Cost-HWSW-Platform}\cite{NetFPGA} y también con fines comerciales \cite{Port-Emb-Linux-XUP-Virtex-II.Dev-Board}. Todos estos trabajos tienen algunas características en común:
|
|
|
\begin{itemize}
|
\begin{itemize}
|
\item El dispositivo lógico programable base es una FPGA
|
\item El dispositivo lógico programable base es una FPGA
|
\item Memoria de programación de la FPGA
|
\item Memoria de programación de la FPGA
|
\item Acceso de programación JTAG
|
\item Acceso de programación JTAG
|
\item Software para interactuar con la plataforma desde una computadora
|
\item Software para interactuar con la plataforma desde una computadora
|
| Line 457... |
Line 458... |
\begin{itemize}
|
\begin{itemize}
|
\item Para la implementación de sistemas lógicos generales
|
\item Para la implementación de sistemas lógicos generales
|
\item Orientado a un área específica
|
\item Orientado a un área específica
|
\end{itemize}
|
\end{itemize}
|
\end{itemize}
|
\end{itemize}
|
|
|
La caracterización anterior no es un intento de generalizar a todas las plataformas educativas basadas en PLDs, pero sí resulta útil para definir el perfil de la plataforma que se describe en este trabajo. Sin la especificación de a que usuarios se destina una plataforma, no se puede comenzar con el estudio de los diferentes dispositivos que se utilizarán. La Figura \ref{fig:rec-plataforma} ilustra una clasificación en bloques de los recursos que ofrecen diferentes plataformas basada en dispositivos PLDs. Donde a niveles iniciales en el estudio de la lógica digital se requieren periféricos básicos como ser llaves conmutadoras de los estados lógicos, dispositivos indicadores como diodos LED, etc. Mientras que a estudios más avanzados se requieren otros tipos de dispositivos como ser a un nivel medio controladores para display gráficos LCD/LED, comunicaciones entre varios dispositivos mediante SPI, I2C, etc. Y por últimos, en la formación de especialistas de sistemas embebidos, requieren recursos como interfaces físicos para ethernet, controladores HDMI, PS2, USB, etc.
|
La caracterización anterior no es un intento de generalizar a todas las plataformas educativas basadas en PLDs, pero sí resulta útil para definir el perfil de la plataforma que se describe en este trabajo. Sin la especificación de a que usuarios se destina una plataforma, no se puede comenzar con el estudio de los diferentes dispositivos que se utilizarán. La Figura \ref{fig:rec-plataforma} ilustra una clasificación en bloques de los recursos que ofrecen diferentes plataformas basada en dispositivos PLDs. Donde a niveles iniciales en el estudio de la lógica digital se requieren periféricos básicos como ser llaves conmutadoras de los estados lógicos, dispositivos indicadores como diodos LED, etc. Mientras que a estudios más avanzados se requieren otros tipos de dispositivos como ser a un nivel medio controladores para display gráficos LCD/LED, comunicaciones entre varios dispositivos mediante SPI, I2C, etc. Y por últimos, en la formación de especialistas de sistemas embebidos, requieren recursos como interfaces físicos para ethernet, controladores HDMI, PS2, USB, etc.
|
|
|
\begin{figure}[!t]
|
\begin{figure}[!t]
|
\centering
|
\centering
|
\includegraphics[width=5cm]{img/recursos-plataformas}
|
\includegraphics[width=5cm]{img/recursos-plataformas}
|
\caption{Recursos de hardware en función de los niveles de aprendizaje.}
|
\caption{Recursos de hardware en función de los niveles de aprendizaje.}
|
\label{fig:rec-plataforma}
|
\label{fig:rec-plataforma}
|
\end{figure}
|
\end{figure}
|
|
|
La mayoría de las plataformas de evaluación comerciales son fabricadas en el exterior del país. Se han encontrado desarrollos nacionales pero no son comercializados sino usados en laboratorios universitarios. Entre las empresas fabricantes de sistemas embebidos basados en dispositivos PLDs, se destacan: Xilix, Altera y Digilent. Los principales perfiles de sus desarrollos se encuentran orientados a,
|
La mayoría de las plataformas de evaluación comerciales son fabricadas en el exterior del país. Se han encontrado desarrollos nacionales pero no son comercializados sino usados en laboratorios universitarios. Entre las empresas fabricantes de sistemas embebidos basados en dispositivos PLDs, se destacan: Xilix, Altera y Digilent. Los principales perfiles de sus desarrollos se encuentran orientados a,
|
|
|
\begin{itemize}
|
\begin{itemize}
|
\item Sistemas de comunicaciones
|
\item Sistemas de comunicaciones
|
\item Procesamiento de Señales Digitales (DSP)
|
\item Procesamiento de Señales Digitales (DSP)
|
\item Automovilismo
|
\item Automovilismo
|
\end{itemize}
|
\end{itemize}
|
|
|
En la Figura \ref{fig:board-fpga} se pueden ver tres diferentes plataformas orientadas al diseño de sistemas digitales\footnote{Alguna de estas plataformas disponen de módulos conversores ADC y DAC, por lo que se podría decir que también permiten la implementación de sistemas analógicos en dominio discreto.}. Los recursos de hardware que ofrecen estos desarrollos son:
|
En la Figura \ref{fig:board-fpga} se pueden ver tres diferentes plataformas orientadas al diseño de sistemas digitales\footnote{Alguna de estas plataformas disponen de módulos conversores ADC y DAC, por lo que se podría decir que también permiten la implementación de sistemas analógicos en dominio discreto.}. Los recursos de hardware que ofrecen estos desarrollos son:
|
|
|
\begin{itemize}
|
\begin{itemize}
|
\item FPGA
|
\item FPGA
|
\item Memoria de programación de la FPGA
|
\item Memoria de programación de la FPGA
|
\item Periféricos básicos (LEDs, display, pulsadores, llaves, etc.)
|
\item Periféricos básicos (LEDs, display, pulsadores, llaves, etc.)
|
\item Puerto USB
|
\item Puerto USB
|
| Line 507... |
Line 512... |
Considerando la situación expuesta es que se impulsa el desarrollo de la Plataforma de Hardware Reconfigurable (PHR). Esta plataforma es un proyecto a medida de las necesidades en la enseñanza de los sistemas digitales lógicos en las cátedras iniciales. Ofrece recursos básicos para que los estudiantes interactúen con la tecnología de los dispositivos PLDs, pero también dispone de puertos para conectar otros recursos físicos permitiendo que estudiantes avanzados puedan hacer uso de ellas sin limitaciones. Además al ser publicado bajo licencia libre/abierta permitirá a que el diseño, o parte de él, sirva como referencias a otras instituciones académicas que se encuentren en búsqueda de una plataforma para implementar en sus diferentes cátedras.
|
Considerando la situación expuesta es que se impulsa el desarrollo de la Plataforma de Hardware Reconfigurable (PHR). Esta plataforma es un proyecto a medida de las necesidades en la enseñanza de los sistemas digitales lógicos en las cátedras iniciales. Ofrece recursos básicos para que los estudiantes interactúen con la tecnología de los dispositivos PLDs, pero también dispone de puertos para conectar otros recursos físicos permitiendo que estudiantes avanzados puedan hacer uso de ellas sin limitaciones. Además al ser publicado bajo licencia libre/abierta permitirá a que el diseño, o parte de él, sirva como referencias a otras instituciones académicas que se encuentren en búsqueda de una plataforma para implementar en sus diferentes cátedras.
|
|
|
\section{Dispositivos principales}
|
\section{Dispositivos principales}
|
|
|
Son varios los dispositivos principales que se deben definir antes de comenzar a conectar algún componente electrónico. Y es que en función de estos dispositivos es que se debe seleccionar los restantes. Se podrían listar estos como:
|
Son varios los dispositivos principales que se deben definir antes de comenzar a conectar algún componente electrónico. Y es que en función de estos dispositivos es que se debe seleccionar los restantes. Se podrían listar estos como:
|
|
|
\begin{itemize}
|
\begin{itemize}
|
\item FPGA
|
\item FPGA
|
\begin{itemize}
|
\begin{itemize}
|
\item Memoria de programación
|
\item Memoria de programación
|
\item Interfaz de programación
|
\item Interfaz de programación
|
| Line 520... |
Line 526... |
\end{itemize}
|
\end{itemize}
|
|
|
\subsection{FPGA}
|
\subsection{FPGA}
|
\label{sec:fpga}
|
\label{sec:fpga}
|
La FPGA que se utiliza pertenece a la familia Spartan-3 de Xilinx Inc. Esta familia a la vez se clasifican en
|
La FPGA que se utiliza pertenece a la familia Spartan-3 de Xilinx Inc. Esta familia a la vez se clasifican en
|
|
|
\begin{itemize}
|
\begin{itemize}
|
\item Familia Spartan-3A extendida:
|
\item Familia Spartan-3A extendida:
|
\begin{itemize}
|
\begin{itemize}
|
\item Bajo costo
|
\item Bajo costo
|
\begin{itemize}
|
\begin{itemize}
|
| Line 544... |
Line 551... |
\end{itemize}
|
\end{itemize}
|
\end{itemize}
|
\end{itemize}
|
\item Familia Spartan-3E
|
\item Familia Spartan-3E
|
\item Familia Spartan-3
|
\item Familia Spartan-3
|
\end{itemize}
|
\end{itemize}
|
|
|
Altara, Atmel y otros fabricantes de FPGAs también presentan familias similares a las Spartan-3. Aquí se optó por Xilinx Inc. debido a la experiencia en software/hardware con que cuenta el Centro de Investigación\footnote{CUDAR -- Centro Universitario de Desarrollo en Automoción y Robótica.} donde se desarrolla el proyecto. La familia extendida Spartan-3A es la que se utiliza en el diseño de la PHR. En la comparación de recursos de hardware y precio del dispositivo FPGA, las FPGAs Spartan-3A presentan un valor aceptable. En un extremo, las Spartan-3A, permiten una gran variedad de modos de programación en contraste con la familia Spartan-3. Por otro lado, no es necesario gran capacidad de procesamiento que justifique la inclusión de un DSP, debido al perfil del usuario de la plataforma que se desarrolla. Se recuerda que la plataforma PHR se destina a la enseñanza de la tecnología descriptiva de hardware. Las principales características de las FPGAs Spartan-3A se describen en la Tabla \ref{tab:char-fpga}.
|
Altara, Atmel y otros fabricantes de FPGAs también presentan familias similares a las Spartan-3. Aquí se optó por Xilinx Inc. debido a la experiencia en software/hardware con que cuenta el Centro de Investigación\footnote{CUDAR -- Centro Universitario de Desarrollo en Automoción y Robótica.} donde se desarrolla el proyecto. La familia extendida Spartan-3A es la que se utiliza en el diseño de la PHR. En la comparación de recursos de hardware y precio del dispositivo FPGA, las FPGAs Spartan-3A presentan un valor aceptable. En un extremo, las Spartan-3A, permiten una gran variedad de modos de programación en contraste con la familia Spartan-3. Por otro lado, no es necesario gran capacidad de procesamiento que justifique la inclusión de un DSP, debido al perfil del usuario de la plataforma que se desarrolla. Se recuerda que la plataforma PHR se destina a la enseñanza de la tecnología descriptiva de hardware. Las principales características de las FPGAs Spartan-3A se describen en la Tabla \ref{tab:char-fpga}.
|
|
|
\begin{table}[!t]
|
\begin{table}[!t]
|
%increase table row spacing, adjust to taste
|
%increase table row spacing, adjust to taste
|
\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
|
\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
|
% if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
|
% if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
|
% \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
|
% \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
|
| Line 572... |
Line 581... |
\hline
|
\hline
|
XC3S1400A & 1400K & 576K & 32 & 502 \\
|
XC3S1400A & 1400K & 576K & 32 & 502 \\
|
\hline
|
\hline
|
\end{tabular}
|
\end{tabular}
|
\end{table}
|
\end{table}
|
|
|
El dispositivo seleccionado, como se puede ver en la Tabla \ref{tab:char-fpga}, es el XC3S200A. Éste cuenta con una gran densidad de recursos de hardware (200K compuertas lógicas) a la vez que se puede encontrar a esta FPGA en un encapsulado de pequeñas dimensiones (VQ100) que facilita el diseño del PCB. En este encapsulado se puede contar con 68 puertos de entrada/salida (I/O) para ser utilizados externamente a diferentes tecnologías programables (LVTTL, LVCMOS33/25/18, entre otros). El perfil del diseño de la PHR no requiere de una gran cantidad de puertos de I/O debido a las aplicaciones para las que se lo diseña.
|
El dispositivo seleccionado, como se puede ver en la Tabla \ref{tab:char-fpga}, es el XC3S200A. Éste cuenta con una gran densidad de recursos de hardware (200K compuertas lógicas) a la vez que se puede encontrar a esta FPGA en un encapsulado de pequeñas dimensiones (VQ100) que facilita el diseño del PCB. En este encapsulado se puede contar con 68 puertos de entrada/salida (I/O) para ser utilizados externamente a diferentes tecnologías programables (LVTTL, LVCMOS33/25/18, entre otros). El perfil del diseño de la PHR no requiere de una gran cantidad de puertos de I/O debido a las aplicaciones para las que se lo diseña.
|
|
|
\subsection{Memoria de programación}
|
\subsection{Memoria de programación}
|
\label{sec:mem-prog}
|
\label{sec:mem-prog}
|
La tecnología utilizada en las FPGAs Spartan-3A requieren de una memoria externa que configure al dispositivo ya que es volátil. Esta familia permite la utilización de varios tipos de memorias como modos de configuración para embeber el diseño digital en la FPGA. Xilinx comercializa memorias Flash PROM para todas sus familias de FPGA. Hay una relación directa entre la capacidad lógica de una FPGA con el tamaño de la memoria de programación, en la Tabla xxx se puede apreciar esta relación para el caso de la familia Spartan-3A.
|
La tecnología utilizada en las FPGAs Spartan-3A requieren de una memoria externa que configure al dispositivo ya que es volátil. Esta familia permite la utilización de varios tipos de memorias como modos de configuración para embeber el diseño digital en la FPGA. Xilinx comercializa memorias Flash PROM para todas sus familias de FPGA. Hay una relación directa entre la capacidad lógica de una FPGA con el tamaño de la memoria de programación, en la Tabla xxx se puede apreciar esta relación para el caso de la familia Spartan-3A.
|
|
|
\begin{table}[!t]
|
\begin{table}[!t]
|
\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
|
\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
|
\caption{Tipo de memoria para la familia Spartan-3A}
|
\caption{Tipo de memoria para la familia Spartan-3A}
|
\label{tab:mem-fpga}
|
\label{tab:mem-fpga}
|
\centering
|
\centering
|
| Line 599... |
Line 610... |
\hline
|
\hline
|
XC3S1400A & 4,755,296 & XCF08P \\
|
XC3S1400A & 4,755,296 & XCF08P \\
|
\hline
|
\hline
|
\end{tabular}
|
\end{tabular}
|
\end{table}
|
\end{table}
|
|
|
Tanto la FPGA como la memoria de programación Flash PROM se encuentran conectadas en cadena a través de un interfaz denominado JTAG Boundary-Scan. Xilinx Inc. implementa el estándar IEEE 1149.1 (comúnmente llamado JTAG) en sus dispositivos FPGAs, CPLDs y memorias Flash PROM para la programación mediante un software, y de esta forma transferir el diseños sintetizados en sus dispositivos.
|
Tanto la FPGA como la memoria de programación Flash PROM se encuentran conectadas en cadena a través de un interfaz denominado JTAG Boundary-Scan. Xilinx Inc. implementa el estándar IEEE 1149.1 (comúnmente llamado JTAG) en sus dispositivos FPGAs, CPLDs y memorias Flash PROM para la programación mediante un software, y de esta forma transferir el diseños sintetizados en sus dispositivos.
|
|
|
\subsection{Periféricos}
|
\subsection{Periféricos}
|
\label{sec:perifericos}
|
\label{sec:perifericos}
|
|
|
Los periféricos que se implementan en este diseño permiten a los usuarios iniciales realizar prácticas sencillas. Pero también los usuarios avanzados requieren de indicadores de señales lógicas, pulsadores, etc. (Figura \ref{fig:rec-plataforma}). Los periféricos que ofrece la plataforma PHR son:
|
Los periféricos que se implementan en este diseño permiten a los usuarios iniciales realizar prácticas sencillas. Pero también los usuarios avanzados requieren de indicadores de señales lógicas, pulsadores, etc. (Figura \ref{fig:rec-plataforma}). Los periféricos que ofrece la plataforma PHR son:
|
|
|
\begin{itemize}
|
\begin{itemize}
|
\item Salidas
|
\item Salidas
|
\begin{itemize}
|
\begin{itemize}
|
\item 8 LEDs indicadores
|
\item 8 LEDs indicadores
|
\item Display de 7-segmentos de 4 dígitos
|
\item Display de 7-segmentos de 4 dígitos
|
| Line 626... |
Line 640... |
\end{itemize}
|
\end{itemize}
|
\end{itemize}
|
\end{itemize}
|
|
|
\subsection{Sistema de alimentación}
|
\subsection{Sistema de alimentación}
|
\label{sec:sist-power}
|
\label{sec:sist-power}
|
|
|
Por su arquitectura interna y la gran densidad de recursos lógicos que ofrecen, la necesidad de alimentar estos dispositivos en forma eficiente es una clave en el diseño de la plataforma. Los sistemas complejos como las FPGAs requieren minimizar los ruidos presentes en las fuentes de alimentación y es aquí donde las fuentes de alimentación lineal son las ideales. Pero la desventaja de estos circuitos de alimentación radica en la baja eficiencia que presentan, menor que 50\%. Las fuentes de alimentación conmutadas (Switch-Mode) tienen una eficiencia mayor que el 90\% pero son mas ruidosas comparada a las fuentes lineales \cite{Power-Supply-Soluc-4-Xilinx-FPGAs}. Con esta primera observación sobre los dos principales tipos de fuentes de alimentación, se debe considerar otros aspectos sobre el tipo de regulador a utilizar,
|
Por su arquitectura interna y la gran densidad de recursos lógicos que ofrecen, la necesidad de alimentar estos dispositivos en forma eficiente es una clave en el diseño de la plataforma. Los sistemas complejos como las FPGAs requieren minimizar los ruidos presentes en las fuentes de alimentación y es aquí donde las fuentes de alimentación lineal son las ideales. Pero la desventaja de estos circuitos de alimentación radica en la baja eficiencia que presentan, menor que 50\%. Las fuentes de alimentación conmutadas (Switch-Mode) tienen una eficiencia mayor que el 90\% pero son mas ruidosas comparada a las fuentes lineales \cite{Power-Supply-Soluc-4-Xilinx-FPGAs}. Con esta primera observación sobre los dos principales tipos de fuentes de alimentación, se debe considerar otros aspectos sobre el tipo de regulador a utilizar,
|
|
|
\begin{itemize}
|
\begin{itemize}
|
\item Secuencia de arranque
|
\item Secuencia de arranque
|
\item Inicio monótona de la rampa de tensión
|
\item Inicio monótona de la rampa de tensión
|
\item Arranque suave
|
\item Arranque suave
|
\item Encapsulado y diseño del PCB
|
\item Encapsulado y diseño del PCB
|
\end{itemize}
|
\end{itemize}
|
|
|
El TPS75003, fabricado por Texas Instruments, es un dispositivo que integra tres reguladores de tensión en una sola pastilla. Este integrado fue diseñado para aplicaciones donde se deben alimentar a FPGAs y DSPs. En especial, el TPS75003 fue testeado con las familias Spartan-3 de Xilinx proporcionando las tensiones necesarias para estas FPGAs. Esta compuesto por dos contradores buck que logran una gran eficiencia y un regulador lineal LDO (Low-Dropout).
|
El TPS75003, fabricado por Texas Instruments, es un dispositivo que integra tres reguladores de tensión en una sola pastilla. Este integrado fue diseñado para aplicaciones donde se deben alimentar a FPGAs y DSPs. En especial, el TPS75003 fue testeado con las familias Spartan-3 de Xilinx proporcionando las tensiones necesarias para estas FPGAs. Esta compuesto por dos contradores buck que logran una gran eficiencia y un regulador lineal LDO (Low-Dropout).
|
|
|
El Laboratorio de Desarrollo Electrónico con Software Libre, perteneciente al Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI), ha realizado la implementación de un módulo de alimentación para placas con dispositivos FPGA \cite{s3power-paper}. En este desarrollo se utiliza el TPS75003 como dispositivo central y fue probado con una FPGA de la familia Spartan-3E. El diseño se encuentra disponible bajo una licencia de libre uso y modificación. Esta última aclaración no resulta un dato menor, pues la plataforma PHR persigue el mismo fin que el desarrollo realizado por el INTI. La idea de compartir y transferir desarrollos a la comunidad. Para la plataforma PHR se utiliza el módulo desarrollado por el INTI.
|
El Laboratorio de Desarrollo Electrónico con Software Libre, perteneciente al Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI), ha realizado la implementación de un módulo de alimentación para placas con dispositivos FPGA \cite{s3power-paper}. En este desarrollo se utiliza el TPS75003 como dispositivo central y fue probado con una FPGA de la familia Spartan-3E. El diseño se encuentra disponible bajo una licencia de libre uso y modificación. Esta última aclaración no resulta un dato menor, pues la plataforma PHR persigue el mismo fin que el desarrollo realizado por el INTI. La idea de compartir y transferir desarrollos a la comunidad. Para la plataforma PHR se utiliza el módulo desarrollado por el INTI.
|
|
|
\section{Placa PHR}
|
\section{Placa PHR}
|
\label{sec:placa-phr}
|
\label{sec:placa-phr}
|
Luego de las consideraciones sobre los dispositivos principales se presenta una diagrama en bloque de la plataforma PHR. La Figura \ref{fig:phr-bloque} incluye no solo la placa base que contiene la FPGA, la memoria de programación de la FPGA y los periféricos. Aquí se presente también las placas de programación JTAG y la fuente de alimentación para todo el sistema.
|
Luego de las consideraciones sobre los dispositivos principales se presenta una diagrama en bloque de la plataforma PHR. La Figura \ref{fig:phr-bloque} incluye no solo la placa base que contiene la FPGA, la memoria de programación de la FPGA y los periféricos sino también las placas de programación JTAG y la fuente de alimentación para todo el sistema.
|
|
|
\begin{figure}[!t]
|
\begin{figure}[!t]
|
\centering
|
\centering
|
\includegraphics[width=0.45\textwidth]{img/block}
|
\includegraphics[width=0.45\textwidth]{img/block}
|
\caption{Diagrama en bloque de la PHR.}
|
\caption{Diagrama en bloque de la PHR.}
|
\label{fig:phr-bloque}
|
\label{fig:phr-bloque}
|
\end{figure}
|
\end{figure}
|
|
|
La placa de alimentación llamada S3Power es el desarrollo mencionado en la Sección \ref{sec:sist-power}. Es una placa basada en el dispositivo TPS75003 que proporciona los tres niveles de tensión para la FPGA (1.2V, 2.5V y 3.3V). La S3Power se fabricó en una placa separada a la placa base PHR. La ventaja de esta implementación es la reusabilidad ya que puede ser utilizada por otros diseños que requieran las mismas especificaciones de potencia que la PHR.
|
La placa de alimentación llamada S3Power es el desarrollo mencionado en la Sección \ref{sec:sist-power}. Es una placa basada en el dispositivo TPS75003 que proporciona los tres niveles de tensión para la FPGA (1.2V, 2.5V y 3.3V). La S3Power se conecta a la placa base PHR a través de dos conectores, uno para tomar la tensión de alimentación de todo el sistema (5V) y otro conector donde entrega las correspondientes tensiones para la FPGA. La ventaja de esta implementación es la posibilidad de reutilizar la S3Power en otros diseños que requieran las mismas especificaciones de potencia que la PHR. En la Figura \ref{fig:placas-phr-s3power-con} se puede ver la placa PHR y su conexión con la placa S3Power.
|
|
|
|
\begin{figure}[!t]
|
|
\centering
|
|
\subfloat[Placa PHR (base)]{\includegraphics[width=0.4\textwidth]{img/foto-phr-comp}%
|
|
\label{fig:foto-phr}}
|
|
\hfil
|
|
\subfloat[Placa S3Power]{\includegraphics[width=0.2\textwidth]{img/foto-s3power-comp}%
|
|
\label{fig:foto-s3power}}
|
|
\hfil
|
|
\subfloat[Conexión PHR-S3Power]{\includegraphics[width=0.2\textwidth]{img/foto-phr-s3power-comp}%
|
|
\label{fig:foto-phr-s3power}}
|
|
\caption{Placas PHR y S3Power.}
|
|
\label{fig:placas-phr-s3power-con}
|
|
\end{figure}
|
|
|
\section{Interfaz JTAG}
|
\section{Interfaz JTAG}
|
\label{sec:jtag}
|
\label{sec:jtag}
|
La plataforma PHR requiere interactuar con una computadora personal. Sobre esta computadora el usuario realizará el diseño lógico mediante un lenguaje descriptivo (HDL). La síntesis del diseño se realiza con la herramienta de software proporcionada por el fabricante de la FPGA y luego debe transferirse este diseño y reconfigurar el dispositivo (ya sea directamente sobre la FPGA o almacenando la información sobre la memoria Flash PROM).
|
|
|
La plataforma PHR requiere interactuar con una computadora personal, sobre ésta el usuario realizará su diseño lógico mediante un lenguaje descriptivo de hardware (HDL). Para obtener la síntesis del diseño se utiliza las herramientas de software proporcionadas por el fabricante de la FPGA, que luego se transferirá al dispositivo programable (ya sea directamente sobre la FPGA o almacenando la información sobre la memoria Flash PROM).
|
|
|
Actualmente el puerto serie y paralelo, muy utilizados antiguamente, están quedando obsoletos. Otra situación presenta el puerto USB, el cual actualmente es el interfaz cableado más utilizado para la comunicación entre una computadora y dispositivos externos.
|
Actualmente el puerto serie y paralelo, muy utilizados antiguamente, están quedando obsoletos. Otra situación presenta el puerto USB, el cual actualmente es el interfaz cableado más utilizado para la comunicación entre una computadora y dispositivos externos.
|
|
|
Los requerimientos planteados para el interfaz JTAG son:
|
Los requerimientos planteados para el interfaz JTAG son:
|
|
|
\begin{description}
|
\begin{description}
|
\item[JTAG] Comunicarse con la plataforma PHR utilizando un dispositivo externo que implemente el estándar IEEE 1149.1.
|
\item[JTAG] Comunicarse con la plataforma PHR utilizando un dispositivo externo que implemente el estándar IEEE 1149.1.
|
\item[USB] Comunicarse con una computadora personal a través de este puerto sin restricción al sistema operativo a utilizar (GNU/Linux, Mac OS y Microsoft Windows).
|
\item[USB] Comunicarse con una computadora personal a través de este puerto sin restricción al sistema operativo a utilizar (GNU/Linux, Mac OS y Microsoft Windows).
|
\end{description}
|
\end{description}
|
Uno de los dispositivo comerciales que presenta las características anteriormente definidas es el FT2232D fabricado por Future Technology Devices International (FTDI).
|
Uno de los dispositivo comerciales que presenta las características anteriormente definidas es el FT2232D fabricado por Future Technology Devices International (FTDI).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
\section{Características}
|
\section{Características}
|
\subsection{Perifericos}
|
\subsection{Perifericos}
|
\subsection{Potencia}
|
\subsection{Potencia}
|
|
|
\section{Interfaz JTAG}
|
\section{Interfaz JTAG}
|
