Les circuits logiques programmables :

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1 Les circuits logiques programmables : Technologie du transistor au P.L.D. (Programmable Logic Device) 1

2 Toutes les composants logiques (de la porte logique au µp) sont obtenues à partir d association de quelques (millions?) de transistors. Ces transistors peuvent être des transistors bipolaires (familles TTL et ECL) ou des transistors MOS (famille NMOS, PMOS, CMOS ). Les fonctions programmables sont réalisées à partir des familles à base de transistors MOS. 2

3 composant de base : le transistor N P N P N P E B C S G D C bipolaire I c D MOS I ds I b B E V ce V gs S V ds I c Ib I ds V g V ce V ds 3

4 circuits intégrés deux grandes familles technologiques: CMOS et bipolaire t I V C diminution du paramètre techno. diminution des tensions compromis vitesse - consommation t = V C I 4

5 Terminologie des Circuits intégrés Niveau haut Niveau bas +5V I OH I IH I OL I IL + V OH - + V IH - + V OL - + V IL - V IH (min) : tension d entrée niveau HAUT V IL (max) : tension d entrée niveau BAS V OH (min) : tension d entrée niveau HAUT V OL (max) : tension de sortie niveau BAS I IH : courant d entrée niveau HAUT I IL : courant d entrée niveau BAS I OH : courant de sortie niveau HAUT I OL : courant de sortie niveau BAS 5

6 Paramètres électriques et temporels Définition des niveaux logiques V s V alim V OHmin A A A v e1 v e2 v s2 V OLmax V e V ILmax V IHmin V alim V OLmax < V ILmax et V OHmin > V IHmin 6

7 Paramètres électriques et temporels Définition des niveaux logiques valeur minimale de la tension d entrée pour que le signal soit vu comme «1» valeur maximale de la tension d entrée pour que le signal soit vu comme «0» dans les conditions du test le circuit assure cette tension 7

8 Paramètres électriques et temporels Courants de sortie courant maximal délivré par l alimentation au repos courants minimaux fournis à la charge pendant les transitions 8

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10 Paramètres électriques et temporels Paramètres temporels écart relatif maximal 10

11 Autres série TTL Le sigle TTL se réfère généralement à la série 74 standard ou «N». Il existe d autres séries : 74L : faible consommation 74H : plus rapide 74S (Schottky) : faible consommation et plus rapide 74LS : faible consommation mais moins rapide. 74AS et ALS : associent vitesse de commutation et faible consommation. 11

12 Les différentes série TTL N L H S AS LS ALS Tension d alimentation 5 v 5 v 5 v 5 v 5 v 5 v 5 v V oh (min) 2,4 v 2,4 v 2,4 v 2,7 v 2,7 v 2,7 v 2,7 v V ih (min) 2 v 2 v 2 v 2 v 2 v 2 v 2 v V ol (max) 0,4 v 0,3 v 0,4 v 0,5 v 0,5 v 0,5 v 0,5 v V il (max) 0,8 v 0,8 v 0,8 v 0,8 v 0,8 v 0,8 v 0,8 v Retard de propagation 10 ns 33 ns 6 ns 3 ns 1,5 ns 9,5 ns 4 ns Consommation 10 mw 1 mw 22 mw 19 mw 20 mw 2 mw 1 mw Entrance à l état haut : I IH 40 µa 10 µa 50 µa 50 µa 200 µa 20 µa 20 µa Entrance à l état bas : I IL 1,6 ma 180 µa 2 ma 2 ma 2 ma 400 µa 200 µa Sortance à l état haut : I OH 400 µa 200 µa 500 µa 1 ma 2 ma 400 µa 400 µa Sortance à l état bas : I OL 16 ma 3,6 ma 20 ma 20 ma 20 ma 8 ma 8 ma 12

13 Facteur de charge et sortance des TTL État bas État haut +5 V + 5 V +5 V + 5 V +5 V R 1 R 1 +5 V R 1 R 1 R 2 R 4 R 2 R 4 Q 3 D 1 Bloqué I OL I IL I IL conduit I OH I IH I IH Q 4 + V OL + V OH Conduit - bloqué - Nombre d entrée 7400 que peut piloter une sortie 7400 : I OL (max) = 16 ma I OH (max) = 400 µa I IL (max) = 1.6 ma I IH (max) = 40 µa Sortances = I OL (max)/i IL (max) = 10 Sortances = I OH (max)/ I IH (max) = 10 13

14 Autres familles : 14

15 circuits intégrés CMOS D D G G V gs S V gs S nmos pmos S D V gs V dd V gs -V dd S D V gs 0 V gs 0 15

16 circuits intégrés CMOS nmos technologie CMOS pmos 16

17 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur V alim V alim pmos E S E S nmos 17

18 18

19 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur V alim E=1 S=0 E S E S 0 1 E S E=0 S=

20 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur V alim grille E S n+ n+ p+ p+ substrat p V ref transistor n transistor p caisson n 20

21 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur 21

22 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur 22

23 23

24 circuits intégrés CMOS exemple : porte NAND A B S A V alim B A=1 et B=1 S= S A=0 ou B= S=1 A B S 24

25 circuits intégrés CMOS exemple : porte NAND 25

26 circuits intégrés CMOS exemple : porte NOR V alim A B S A B S A=1 ou B=1 S= A=0 et B=0 S=1 A B S 26

27 circuits intégrés CMOS exemple : porte NOR 27

28 Le soustracteur 28

29 circuits intégrés 29

30 circuits intégrés évolution du nombre de transistors des µp Intel nb de trans. param. techno. 1.0E+08 P-III E E P P-II E E E loi de Moore : N tr est multiplié par 1,4 par an 30

31 circuits intégrés évolution de la fréquence d'horloge des µp Intel MHz 1000 fréquence d'horloge P-III P-II P

32 circuits intégrés 1972: 2500 transistors 2000: > transistors 4004 P-II 32

33 circuits intégrés hiérarchie système fonction porte composant circuit 33

34 34

35 circuits intégrés salle blanche fours de diffusion masque de lithographie Wafer épitaxié 35

36 Wafer épitaxié 36

37 Epitaxie par jets moléculaires à sources gaz : 37

38 Epitaxie par jets moléculaires à sources gaz : 38

39 Epitaxie par jets moléculaires à sources gaz : 39

40 salle blanche 40

41 composant 41

42 circuits intégrés substrat (Si) gravure (HF ou plasma) oxyde (SiO 2 ) résine UV masque 42

43 43

44 circuits intégrés dépôt poly-si dépôt d'oxyde oxydation gravure poly-si ouverture des contacts gravure gravure oxyde mince dépôt de métal oxydation (grille) implantation-diffusion gravure du métal 44

45 fours de diffusion 45

46 circuits intégrés "bonding" boitiers boitier DIL 46

47 microsystèmes 47

48 circuits intégrés paramètre techno. (nm) nombre de transistors/cm2 surface de la puce (mm 2 ) (en millions) nombre d'e/s fréquence d'horloge (MHz) (W) puissance alimentation (V) a 48

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50 50

51 suite 51

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59 Les différents types de circuits programmables 59

60 Mémoire programmable mémoire 16 mots de 2 bits => 2 fonctions logiques de 4 entrées A 0 A 1 A 2 A 3 Adresses =entrées Matrice de ET figée Matrice de Ou Programmable S 0 S 2 liaison non programmable liaison programmable 60

61 Circuit logique programmable PAL : programmable array logic A 0 A 1 A 2 A 3 Adresses =entrées Matrice ET programmable Matrice Ou figée S 0 S 2 S 3 S 4 somme de produits = Macrocellule liaison non programmable liaison programmable 61

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74 Field-Programmable Gate Array (FPGA) Xilinx série XC

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83 Points à examiner avant réalisation : Logiciel: Lequel? Matériel: techno, coût? ld In, x0 xor x0, r2, x1 ld Gate, x2 and x1, x2, x1 xor x1, r0, x2 mov x1, r0... In Gate Out Matériel In Out Gate Performance Temps-réel Interfaçage physique Coût Encombrement... 83

84 Modèles de réalisation Circuits à façon (full-custom) : dessin de transistors (gravure de rectangles). Circuits prédiffusés (gate array) : connexion de portes logiques élémentaires (ex. NOR). Circuits logiques programmables (PROM, PAL, EPLD) : réalisation d un petit nombre d équations booléennes. Généralement programmables une seule fois. Prédiffusés programmables (FPGA) : connexion de fonctions booléennes programmables et de registres synchrones. Programmables une fois ou indéfiniment reprogrammables. 84

85 Plate-forme matérielle (1) PC (Windows NT) Carte PCI Pamette (Compaq Systems Research Center) 4 circuits Xilinx XC4010E-3 à XC4085XLA à 6272 fonctions booléennes 4 entrées 800 à 6272 registres 160 ports d entrée-sortie 2 banques mémoire, 64k x 16b, 12ns Interface PCI (téléchargement et communication) Horloge programmable MHz 85

86 Plate-forme matérielle (2) 4 Xilinx 4010Es External I/O CMC Connectors 256 KB SRAM PCI Interface Up To 256 MB DRAM SIMMs 86

87 Plate-forme matérielle (3) Périphériques optionnels DRAM Ecran VGA Caméra numérique Carte ethernet Convertisseurs A/D et D/A... 87

88 Outils logiciels (1) Description des circuits Schémas Equations booléennes VHDL Compilation Traduction des fichiers sources en portes logiques fusion Fabrication de tables à 4 entrées Placement et routage Génération du binaire de configuration 88

89 Outils logiciels (2) Exécution Initialisation des RAMs Configuration du circuit Protocole d entrées-sorties (PCI) Commandes clavier, scripts, programmes C/Java. Mise au point Simulation Exécution pas-à-pas relecture de l état interne Oscilloscope 89

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93 Langages de description (1) Schémas : Count Cnt3 Dec7s seg[0..6] R 93

94 Langages de description (2) Equations booléennes : ABEL. module count8; " Inputs Clk,up,down pin; " Outputs q0,q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7 pin istype reg ; " Variables count = [q7..q0]; equations count:=(count+1) & up &!down "count up # (count-1) &!up & down "count down # count & up & down "hold # count &!up &!down; "hold end 94

95 Langages de description (3) Imperative Generation : PamDC. int i,j; Bool clk, limit; WireVector<Bool,3> Cnt; limit = Cnt[0] & (~Cnt[1]) & Cnt[2]; for (i = 0; i < 3; i++) { EquationHandler Carry = ONE; for (j = 0; j < i; j++) Carry = Carry & Cnt[j]; Cnt[i] = reg( mux(limit, ZERO, Cnt[i] ^ Carry),clk); } 95

96 Langages de description (4) Synthèse logique : VHDL. process begin wait until CLK event and CLK = 1 ; if SECS = 59 then SECS <= 0; if MINUTES = 59 then MINUTES <= 0; else MINUTES <= MINUTES + 1; end if; else SECS <= SECS + 1; end if; end process; 96

97 Projets microprocesseurs RISC Microprocesseur classique : PDP8, PDP11, 6502 Possibilité de trouver spécifications, compilateurs, code sur le web Microprocesseur + périphériques Carte graphique Contrôleur disque 97

98 Projets microprocesseurs (suite) Calculatrice Calculatrice à pile simple Calculatrice programmable Automates spécialisés calendrier perpétuel... Montre numérique Contrôleur d ascenseur Voltmètre numérique Oscilloscope numérique Codes Codes cryptographiques Codes correcteurs d erreur 98

99 Projets microprocesseurs (suite) Pilotage d écran graphique Terminal alphanumérique Jeu vidéo, animations Audio numérique Synthèse additive Filtrage Analyse fréquentielle temps-réel Acquisition et traitement d image Caméra numérique Autres... 99

100 Exemple : calculatrice Type polonaise inverse (HP) Version minimale Hexadécimale 8 bits Addition soustraction Extensions 12 ou 16 bits BCD Multiplication Sous-programmes en ROM 100

101 Exemple : synthétiseur sonore Version minimale Synthèse d échantillons sonores en temps r éel Forme(s) d onde en RAM Partitions en RAM (fréquence/durée) Extensions Enveloppes Voies multiples 101

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