Mémoire et logique programmable

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1 Chapitre 8 Mémoire et logique programmable Une mémoire est un élément clé des systèmes numériques. Lorsqu il y a traitement d information, les données en mémoire sont transférées à des registres, puis une série d opérations sont effectuées avec ces informations. À la fin des opérations, les résultats sont à nouveau transférés en mémoire. Il existe deux types de mémoire utilisées dans les systèmes numérique : RAM (Random- Access Memory, ou mémoire à accès aléatoire) et ROM (Read-Only Memory). Les deux opérations de base d accès à la mémoire sont la l écriture et la lecture. Un RAM peut effectuer les deux opérations, tandis qu un ROM peut seulement effectuer l opération de lecture. On ne peut pas modifier l information écrite dans un ROM. Un ROM est un dispositif logique programmable (PLD). La programmation de la mémoire est une opération hardware qui permet de spécifier les bits qui sont en mémoire. Il existe d autre types de mémoire programmable : PLA : programmable logic array PAL : programmable array logic FPGA : field-programmable gate array 8.1 RAM Une unité de mémoire est un ensemble de cellules de stockage avec les circuits complémentaires nécessaires pour transférer l information d un dispositif. L architecture de la mémoire est conçue de sorte que l information peut être accédée à n importe quel endroit. 1

2 Une unité de mémoire va stocker de l information en groupes de bits appelés des mots. Un mot est un groupe de 1 et 0 qui représente un chiffre, une instruction, un caractère alphanumérique ou autre. La capacité d une mémoire est normalement donnée en fonction du nombre total de bytes de la mémoire. La communication entre la mémoire et son environnement est obtenu par une entrée et une sortie, une adresse, et des lignes de contrôle lecture/écriture. Un schéma bloc est montré à la figure fig :Memoire. Les n lignes d entrée permettent d écrire dans la mémoire lorsque Écriture est à 1, tandis que les n lignes de sortie permettent de lire les valeurs en mémoire lorsque Lecture est à 1. Le choix du mot à lire ou écrire est effectué par les k bits d adresse (où n = 2 k normalement). Par exemple, une mémoire de 10 bits aura une capacité maximale de 1024 bits (2 10 ) ou 1K ; une mémoire de 32 bits a une taille maximale de 4Gb. n lignes d entrée k lignes d adresse Lecture Écriture Unité mémoire 2 n mots n bits par mot n lignes de sortie Figure 8.1 Schéma bloc d une mémoire 8.2 Décodage de mémoire Puisque qu une mémoire utilise des adresses pour aller lire ou écrire une cellule en particulier, il faut utiliser un décodeur. La figure 8.2 montre un exemple de cellule de mémoire pouvant stocker un bit. Select Entrée S Q Sortie Select R Entrée CM Sortie Lire/Écrire Figure 8.2 Cellule de mémoire et schéma bloc Lire/Écrire Gabriel Cormier 2 GELE2442

3 La cellule de la figure 8.2 est composée d un verrou SR avec des portes logiques qui forment une bascule D. De façon plus pratique, une cellule de mémoire est composée de 4 ou 6 transistors, mais elle peut être plus facile à comprendre si on utilise un représentation avec des symboles logiques. Le verrou SR est l élément de stockage de la cellule. Pour activer la cellule (pour la lecture ou l écriture) on doit activer l entée Select (Select=1). Pour faire la lecture, Lire/Écrire = 1, et pour faire l écriture, Lire/Écrire = 0. À partir de cette cellule de base, on peut construire une mémoire plus complexe. Un exemple de mémoire 4 4 est montré à la figure 8.3. On a 4 mots de 4 bits dans la mémoire. Pour faire l adressage, il faut 2 bits (puisque 4 = 2 2 ). In 0 In 1 In 2 In 3 Mot 0 CM CM CM CM A 1 A 0 Enable Mot 1 Décodeur 2x4 Mot 2 EN CM CM CM CM CM CM CM CM Lire/Écrire Mot 3 CM CM CM CM Out 0 Out 1 Out 2 Out 3 Figure 8.3 Exemple de mémoire 4 4 Il existe deux types principaux de mémoire volatile : statique (SRAM) et dynamique (DRAM). La mémoire statique conserve l information en mémoire aussi longtemps qu elle est alimentée. Ce type de mémoire nécessite normalement 4 ou 6 transistors. La mémoire dynamique utilise un condensateur pour stocker un bit. Ce condensateur perd sa charge au fil du temps. Il faut rafraîchir la mémoire périodiquement (un minimum de millisecondes). Il faut donc lire et ré-écrire tous les bits en mémoire à toutes les millisecondes. Le DRAM occupe beaucoup moins d espace que le SRAM (environ 4 fois moins) et donc il est moins coûteux. Gabriel Cormier 3 GELE2442

4 8.3 ROM Le ROM est un circuit combinatoire avec k entrées et n sorties. Les entrées sont des adresses, et les sorties sont des données. Un ROM mémorise la table de vérité d une fonction logique à k entrées et n sorties. Par exemple, un ROM à 3 entrées et 4 sorties serait appelé un ROM 8 4 (8 = 2 3 ). Le ROM est une mémoire non volatile : l information est conservée même si le ROM n est pas sous tension. Les mécanismes internes utilisés pour stocker l information varient selon le fabriquant du ROM. En général, la présence ou l absence d une diode ou d un transistor fait la différence entre un 0 ou un 1. La figure 8.4 montre quelques exemples. Comme exemple, pour les cas 2 (cellule MOS OR), les lignes de bit sont déchargées à 0V ant de faire la lecture. Si un transistor est présent, il va recharger à V DD, ce qui est détecté comme un 1 en mémoire. S il n y a pas de transistor, demeure à la masse, et un 0 est détecté. 1 V DD 0 Diode MOS OR Figure 8.4 Exemple de cellules ROM MOS NOR Il existe plusieurs types de ROM : PROM : Programmable ROM. On utilise un programme pour enregistrer les valeurs sur le ROM. EPROM : Erasable PROM. Comme le PROM, sauf qu on peut effacer le programme en l exposant à de la lumière UV pour 5 à 10 minutes. On peut enregistrer un autre programme par la suite. EEPROM : Electrically Erasable PROM. Comme un EPROM, sauf qu on peut effacer les bits électroniquement. Le nombre de cycles lecture/écriture est limité. On utilise ce genre de mémoire lorsque les données ne changeront pas souvent, comme le BIOS d un ordinateur. Gabriel Cormier 4 GELE2442

5 FLASH : Ce sont des transistors programmables. Le nombre de cycles lecture/écriture est limité, mais un peu plus que le EEPROM. Permet d obtenir des densités (MB/mm 2 ) très élevées. Avantages et désavantages Pour des fonctions de complexité moyenne, un circuit ROM est habituellement plus rapide qu un circuit avec plusieurs appareils SSI/MSI et des PLD, et souvent plus rapide qu un FPGA ou LSI. Le programme en mémoire est facilement modifiable et structurable, et ce genre de circuit n est pas coûteux. Pour des fonctions de complexité simples à moyennes, le ROM est généralement plus coûteux, consomme plus d électricité ou est plus lent qu un circuit conçu avec des SSI/MSI Types de PLD Il existe trois types principaux de PLD : le PROM, le PAL et le PLA. Les trois types sont montrés à la figure 8.5. Parmi les trois types, le PLA offre plus de flexibilité : deux réseaux programmables. Entrées Matrice AND fixe (décodeur) Matrice OR programmable Sorties a) PROM Entrées Matrice AND programmable Matrice OR fixe Sorties b) PAL Entrées Matrice AND programmable Matrice OR programmable Sorties c) PLA Figure 8.5 Configurations de base des PLD Gabriel Cormier 5 GELE2442

6 8.4 PLA Le PLA est similaire au PROM, sauf que le PLA ne permet pas de décoder complètement les variables d entrée et ne génère pas tous les mintermes. On a une série de portes AND programmables et de portes OR programmables, et normalement une série de portes XOR à la sortie. Les portes XOR permettent d obtenir une fonction complémentée si nécessaire. Un exemple de PLA est montré à la figure, où on veut programmer les deux fonctions suivantes : F 1 = AB + AC + A BC F 2 = (AC + BC) Les dans le circuit indiquent où des fusibles ou transistors ont été placés pour créer les mintermes pour réaliser les fonctions. Pour la fonction F 1, on fait un XOR avec 0 (puisque x 0 = x), tandis qu on fait un XOR avec 1 pour obtenir F 2 (x 1 = x ). A B C 0 1 F 1 F 2 Figure 8.6 Exemple de PLA Avec un circuit PLA, on ajoute souvent un tableau de programmation des fusibles. C est une représentation de la programmation du PLA, sous forme de tableau. La figure 8.7 montre le tableau pour l exemple précédent. La première partie du tableau donne une liste Gabriel Cormier 6 GELE2442

7 de tous les termes utilisés. La deuxième partie montre les connexions entre les entrées et les portes AND. La troisième partie montre les connexions aux portes OR, ainsi que la connexion d un 0 (V) ou 1 (C) pour les portes XOR. Lors du design d un circuit avec un PLA, il ne faut pas oublier de vérifier si le complément d une fonction est plus simple (donne moins de termes). Sorties Entrées V C Produit A B C F 1 F 2 AB AC BC A BC Figure 8.7 Tableau de programmation PLA 8.5 PAL Le PAL est un dispositif programmable qui a une série de portes OR fixe et une matrice de portes AND programmables. Puisque seules les portes AND sont programmables, le PAL est plus facile à programmer, mais il est moins flexible. Un exemple est montré à la figure 8.8. C est un PAL à trois entrées, avec une matrice AND-OR à trois termes et trois sortie possibles. La sortie de la première fonction peut être réutilisée pour simplifier les autres fonctions. Tout comme le PLA, la programmation d un PAL est aussi montrée à l aide d un tableau. Le tableau va montrer les différents produits, les connexions des entrées (inversées ou non) et la fonction de sortie. Exemple 1 Donner le circuit et le tableau de programmation pour les fonctions suivantes, si on utilise le PAL de la figure 8.8. W = (1,3,6,7) ABC X = (1,3,4,5,6) ABC Y = (0,1,3,6,7) ABC Gabriel Cormier 7 GELE2442

8 1 2 F 1 3 I F 2 6 I F 3 9 I 3 Figure 8.8 Exemple de PAL avec 3 entrées et 3 sorties On peut simplifier les fonctions avec des diagrammes de Karnaugh, et ainsi obtenir : W = A C + AB X = C + AB Y = A C + AB + A B = W + A B On obtient alors le tableau de programmation de la figure 8.9, et le circuit de la figure Gabriel Cormier 8 GELE2442

9 Entrées AND Produit A B C W Sorties W = A C + AB X = C + AB Y = W + A B Figure 8.9 Tableau de programmation PAL de l exemple 1 A A B B C C W W I W I X 7 I Y Figure 8.10 Circuit PAL de l exemple 1 Gabriel Cormier 9 GELE2442

10 8.6 Dispositifs séquentiels programmables On peut aussi avoir des dispositifs séquentiels programmable : ceux sont constitués de portes logiques et des bascules. Il existe quelques types de dispositifs séquentiels programmables, et les commerçants ont souvent des différentes variétés. La logique interne est trop complexe pour montrer ici. Les trois types principaux sont : Dispositif logique séquentiel programmable (SPLD) Dispositif logique programmable complexe (CPLD) Matrice de portes programmables à effet de champ (FPGA, field-programmable gate array) La structure générale d un SPLD est montrée à la figure Le SPL ressemble à un PLD, sauf qu on a des bascules disponibles à la sortie. Les bascules sont normalement de type D ou JK. Entrées Matrice AND-OR (PAL ou PLA) Bascules Sorties Figure 8.11 Schéma-bloc d un SPLD Un schéma-bloc d un CPLD est montré à la figure Le dispositif est constitué de plusieurs PLD interconnectés à travers une matrice d interrupteurs programmables. Les blocs d entrée-sortie permettent les connexions aux pattes du dispositif. Il existe plusieurs différentes variétés de ce dispositif selon le commerçant. PLD PLD PLD PLD Bloc IO Matrice programmable Bloc IO PLD PLD PLD PLD Figure 8.12 Schéma-bloc d un CPLD Un FPGA est un circuit VLSI qui peut être programmé. Un FPGA possède normalement des millions de blocs logiques et des blocs d entrés et de sortie programmables, le Gabriel Cormier 10 GELE2442

11 tout branché ensemble par des interconnexions programmables. Un bloc logique typique d un FPGA contient des multiplexeurs, portes, bascules et SRAM. Le SRAM permet de programmer n importe quelle fonction logique. Gabriel Cormier 11 GELE2442