Crie seus próprios microchips com este tutorial de PLDs

Tabela de Conteúdos:

1. Introdução aos Dispositivos Lógicos Programáveis (PLDs) 1.1. O que são PLDs? 1.2. Tipos de PLDs
2. Programáveis Array Logic (PALs) 2.1. PALs Convencionais 2.2. PALs Programáveis por UV e EE 2.3. Generic Array Logic (GAL) 2.3.1. Clones do GAL
3. Complex Programmable Logic Devices (CPLDs)
4. Field Programmable Gate Arrays (FPGAs)
5. Estrutura e Programação de PLDs 5.1. Lógica Matricial 5.2. Equações Booleanas 5.3. Fusíveis e Gates 5.4. Modos de Operação dos PLDs
6. Programação de PLDs utilizando o CUPL 6.1. Compilação e Simulação 6.2. Gravação de PLDs utilizando Arduino
7. Exemplo Prático: Projeto de um Contador com PLDs
8. Conclusão
9. FAQ (Perguntas Frequentes)

🧪 Introdução aos Dispositivos Lógicos Programáveis (PLDs)

Os dispositivos lógicos programáveis (PLDs) são circuitos integrados que permitem ao usuário implementar funções lógicas personalizadas. Eles são amplamente utilizados em projetos eletrônicos devido à sua flexibilidade e capacidade de substituir várias portas lógicas convencionais em um único chip.

1.1. O que são PLDs?

Os PLDs são ICs (integrated circuits) que podem ser programados para executar funções lógicas específicas. Eles são compostos por uma matriz de portas lógicas, fuses programáveis e circuitos de interface. Esses dispositivos oferecem uma solução eficiente para a implementação de circuitos digitais personalizados.

1.2. Tipos de PLDs

Existem vários tipos de PLDs disponíveis no mercado, cada um com suas características específicas. Os principais tipos de PLDs incluem:

🛠️ Programáveis Array Logic (PALs)

Os PALs (Programmable Array Logic) foram desenvolvidos na década de 1970 e são um dos primeiros tipos de PLDs a serem utilizados. Inicialmente, eles só podiam ser programados uma vez, mas evoluíram para versões que podiam ser apagadas por raios UV e versões eletricamente apagáveis.

2.1. PALs Convencionais

Os PALs Convencionais são programados apenas uma vez e não podem ser reprogramados. Eles oferecem uma solução econômica para aplicações simples e não exigem grande flexibilidade.

2.2. PALs Programáveis por UV e EE

Os PALs programáveis por UV e EE (Electrically Erasable) permitem a reprogramação do dispositivo. Eles podem ser utilizados em projetos que requerem maior flexibilidade, pois permitem a alteração da lógica do circuito sem a necessidade de substituição do chip.

2.3. Generic Array Logic (GAL)

Os GALs (Generic Array Logic) foram introduzidos pela Lattice em 1984 e são uma evolução dos PALs. Eles oferecem uma solução mais flexível, pois possuem uma lógica de saída programável que permite simular diferentes tipos de PALs. Outros fabricantes também lançaram clones do GAL, como o PEEL da CMOS Technology e o ATF da Atmel.

2.3.1. Clones do GAL

Embora o termo GAL seja frequentemente utilizado para se referir a qualquer tipo de E Pal, na realidade, é apenas uma marca específica. A Lattice descontinuou o GAL, mas os ATFs da Atmel, agora Microchip, ainda estão disponíveis. Além disso, os GALs originais podem ser encontrados como new old stock em vários fornecedores.

⚙️ Complex Programmable Logic Devices (CPLDs)

Os CPLDs (Complex Programmable Logic Devices) são uma evolução dos PLDs convencionais e oferecem uma maior capacidade e flexibilidade. Eles são projetados para suportar a implementação de circuitos digitais mais complexos e podem até mesmo substituir microcontroladores completos.

💡 Field Programmable Gate Arrays (FPGAs)

Os FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) são os tipos mais avançados de PLDs. Eles possuem uma estrutura em matriz e oferecem a maior flexibilidade e capacidade de programação. Os FPGAs podem ser utilizados para implementar qualquer circuito digital e são amplamente utilizados em aplicações como sistemas embarcados, processamento de sinal digital e projetos de Alta complexidade.

💻 Estrutura e Programação de PLDs

Os PLDs possuem uma estrutura básica composta por fuses programáveis, portas lógicas e circuitos de interface. Eles podem ser programados com equações booleanas para implementar qualquer função lógica desejada.

5.1. Lógica Matricial

A estrutura interna de um PLD é organizada em uma matriz de portas lógicas. Essa matriz consiste em uma grade de AND-gates interconectadas que alimentam uma OR-gate. Os fusíveis programáveis são utilizados para conectar ou desconectar as entradas das portas lógicas, permitindo a definição da função lógica desejada.

5.2. Equações Booleanas

As equações booleanas são utilizadas para definir a função lógica a ser implementada no PLD. Elas consistem em uma combinação de operações lógicas, como AND, OR e NOT. Com base nessas equações, os fusíveis são programados para conectar as entradas corretas das portas lógicas.

5.3. Fusíveis e Gates

Os fusíveis programáveis são chaves que podem ser configuradas para conectar ou desconectar as entradas das portas lógicas. Eles são programados pelo usuário através de um processo de gravação no PLD. As portas lógicas, como AND e OR, são responsáveis por executar as operações lógicas definidas pelas equações booleanas.

5.4. Modos de Operação dos PLDs

Os PLDs podem operar em diferentes modos, dependendo das necessidades do projetista. Os principais modos de operação incluem:

• Simple Mode: Modo básico de operação, onde as saídas são obtidas através de uma OR-gate com entradas programáveis e uma saída fixa.
• Complex Mode: Modo que permite o uso de uma das linhas de produto como saída, possibilitando a implementação de saídas tristate e configuração das portas como entradas.
• Registered Mode: Modo que inclui um flip-flop D para armazenamento temporário dos resultados e tempos de saída controlados por um clock e um sinal de controle.

⌨️ Programação de PLDs utilizando o CUPL

O CUPL (Compiler for Universal Programmable Logic) é uma ferramenta utilizada para programar PLDs. Ele permite a definição das equações booleanas e a geração de arquivos JDEC, que contém a programação dos fusíveis e a lógica de saída.

6.1. Compilação e Simulação

O CUPL permite a compilação das equações booleanas definidas pelo usuário e a simulação do circuito resultante. A compilação verifica a sintaxe das equações e gera o arquivo JDEC. Já a simulação permite testar o circuito virtualmente antes de programar o PLD.

6.2. Gravação de PLDs utilizando Arduino

Para programar um PLD, é necessário usar um programador específico. No entanto, é possível construir seu próprio programador utilizando um Arduino. Esse programador utilize um protocolo de comunicação serial para ler e gravar os dados do PLD.

🚀 Exemplo Prático: Projeto de um Contador com PLDs

Como exemplo prático, vamos projetar um contador utilizando PLDs. Este contador será capaz de contar o número de pulsos de um sinal de entrada e exibir o resultado em um display de 7 segmentos.

🏁 Conclusão

Os dispositivos lógicos programáveis (PLDs) apresentam uma solução flexível e eficiente para a implementação de circuitos digitais personalizados. Com os avanços na tecnologia dos PLDs, é possível realizar projetos eletrônicos cada vez mais complexos e sofisticados.

❓ FAQ (Perguntas Frequentes)

1. O que são dispositivos lógicos programáveis (PLDs)?

Os dispositivos lógicos programáveis (PLDs) são circuitos integrados que podem ser programados para executar funções lógicas específicas.

2. Quais são os diferentes tipos de PLDs?

Os principais tipos de PLDs incluem PALs, GALs, CPLDs e FPGAs.

3. Como os PLDs são programados?

Os PLDs podem ser programados utilizando ferramentas como o CUPL, que permitem definir as equações booleanas e gerar arquivos JDEC para programação dos fusíveis.

4. É possível programar PLDs utilizando um Arduino?

Sim, é possível construir um programador de PLDs utilizando um Arduino e um circuito simples. Isso permite a programação de PLDs de forma econômica.

5. Quais são as aplicações dos PLDs?

Os PLDs são amplamente utilizados em projetos eletrônicos, incluindo automação industrial, sistemas embarcados, processamento de sinal digital, entre outros.

Recursos:

• Link do exemplo de contador com PLDs
• Link do software CUPL
• Link do site PCBgogo