ASIC
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CARATTERISTICHE GENERALI
INTRODUZIONE
La complessità di un circuito di elettronica digitale rende spesso difficoltosa la realizzazione del
circuito stampato. Inevitabilmente ciò comporta l’aumento dei costi e la diminuzione della
affidabilità.
Inoltre, i circuiti integrati standard spesso sono sovradimensionati per l’applicazione specifica, si
pensi per esempio alle porte che rimangono inutilizzate in un integrato in contrasto con l’esigenza
di ottimizzare l’insieme.
I sistemi a logica cablata hanno il grosso svantaggio di offrire scarsa flessibilità a eventuali modifiche
della funzione logica. Si tenga presente che molte volte è necessario apportare modifiche a causa
di varianti od estensioni del progetto. Ogni variazione al progetto comporta una modifica del
cablaggio che non è facile da realizzare.
Pertanto sono stati inseriti in commercio circuiti:
full-custom : cioè realizzati in base alle specifiche particolari fornite dal cliente. Si tratta di circuiti
molto complessi realizzati su un singolo chip e quindi ottimizzati in prestazioni, consumo e
dimensioni. Se però la produzione non è adeguata il costo sale enormemente.
semi-custom: si tratta di una categoria di circuiti integrati che rappresenta una via di mezzo fra i
circuiti standard e quelli full custom che raccoglie i vantaggi di entrambe e cioè flessibilità,
affidabilità, economicità. Tali dispositivi sono indicati con il termine ASIC : application specific
integrated circuit ( circuiti integrati per applicazioni specifiche).
ASIC
Sono dispositivi costituiti da un gran numero di blocchi elettronici elementari rappresentati da porte logiche,
flip flop, singoli transistor le cui interconnessioni sono lasciate incomplete, affidate all’utilizzatore in base alle
sue esigenze. Il lavoro di progettazione e realizzazione delle interconnessioni viene effettuato con tecniche
assistite da calcolatore. Gli ASIC costituiscono al giorno d’oggi la soluzione tecnologicamente più avanzata
nella progettazione hardware.
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CLASSIFICAZIONE
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Personalizzabili dal costruttore
Semi-custom
Gate-array
Personalizzabili dall’utente
Full-custom
Standard cell
FPGA
GAL
Complex PLD
PROM
PLA
PLD
PAL
PLS
Asic personalizzabili dal costruttore:
Semi-custom: predefinito in parte dal costruttore
Full-custom:completamente realizzato dal costruttore, le cui interconnessioni sono realizzate ancora in
fabbrica con procedimento di mascheratura sul silicio.
Asic personalizzabili dall’utente:
Il principio su cui si basano è analogo a quello delle PROM; in linea di massima la personalizzazione del
circuito avviene agendo su contatti a fusibile posti all’incrocio fra le righe e le colonne della struttura base del
circuito.
Tra gli asic programmabili si distinguono
PLD ( programmable logic device ): programmabili una sola volta dall’utente;
EPLD( erasable programmable logic device ): programmabili più volte.
I PLD sono analoghi alle PROM, gli EPLD alle EPROM.
Software di programmazione: ABEL o VHDL
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SIMBOLISMO dei dispositivi PAL e PLA
Un dispositivo logico programmabile consiste in una matrice di fusibili (come le PROM) che collegano gli
ingressi a porte AND che sono a loro volta collegate a porte OR.
La rappresentazione grafica dello schema interno di un dispositivo programmabile è molto complessa per cui
per snellire la grafica si sono adottate delle convenzioni.
Le varie linee di ingresso sono sostituite da un’unica linea
i collegamenti fissi sono rappresentati con un punto
quelli programmabili con una X
L’assenza del punto o della X indica che il contatto è aperto.
Il circuito di figura rappresenta un NAND a due ingressi di cui il primo è collegato in maniera fissa alla linea
A, il secondo è collegato alla linea B con una connessione programmabile indicata per convenzione con un
fusibile.
I contatti possono essere veri e propri fusibili come quelli usati nelle PROM oppure strutture MOS a gate
fluttuante come nelle EPROM.
ESEMPI
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PROM
Una PROM può essere rappresentata da un decodificatore realizzato a porte AND e da una matrice a porte
OR.
In figura è riportata una PROM a 4 ingressi, 4 uscite quindi da 16 celle. Gli ingressi sono raddoppiati da
buffer con doppia uscita, invertente e non invertente. Le 8 linee sono collegate in maniera fissa a 16 porte
AND una per ogni possibile combinazione delle 4 linee di ingresso. Per ognuna delle 16 combinazioni degli
ingressi viene portata a livello alto l’uscita di un solo AND. Le uscite del decodificatore sono collegate in
modo programmabile alle 4 porte OR.
Supponiamo di aver programmato la PROM come in figura.
Alla combinazione DCBA = 0000 corrisponderà O3 O2 O1 O0 = 1100
Alla combinazione DCBA = 0001 corrisponderà O3 O2 O1 O0 = 0100
Alla combinazione DCBA = 1111 corrisponderà O3 O2 O1 O0 = 0111
La struttura di una PROM consente di realizzare qualsiasi circuito di logica combinatoria in quanto è possibile
ottenere per ogni combinazione degli ingressi la opportuna sequenza delle uscite.
Il limite della struttura di tipo PROM è l’aumento dei contatti programmabili al crescere della capacità. Per
esempio una prom con 10 linee di ingresso quindi 1024 celle, di 4 bit ciascuna contiene 1024 porte AND e
quindi 1024 x 4 contatti programmabili.
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PAL
La struttura di una PAL è identica a quella di una PROM salvo che la rete del decodificatore è a contatti
programmabili mentre quella della matrice di uscita è a contatti fissi così come riportato in figura.
Ogni uscita rappresenta la somma logica di una parte dei possibili prodotti. Pur con questa limitazione è
sempre possibile realizzare qualsiasi funzione logica scegliendo la PAL della opportuna dimensione.
Nel caso di una PAL a 10 ingressi, mantenendo 16 linee di prodotto, i contati programmabili risulterebbero
solo 16 x 2 x 10 = 320 fusibili.
In commercio esistono PAL che al posto di una struttura AND-OR presentano strutture di tipo NAND-NAND,
NOR-OR, OR-NAND, AND-NOR, NOR-NOR, NAND-AND, OR-AND con cui, utilizzando le regole della logica
booleana ed i teoremi di De Morgan, è possibile realizzare qualsiasi funzione logica.
Molte PAL presentano in uscita dei flip flop che permettono di memorizzare il livello generato.
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PLA
Nelle PLA è possibile programmare sia le linee del decodificatore che quelle della matrice di OR. Il
vantaggio è quello di una maggiore flessibilità.
Una possibile struttura è riportata in figura.
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GAL
I dispositivi programmabili e cancellabili prendono il nome di EPLD e godono attualmente di un grande
successo commerciale. La cancellazione avviene tramite raggi U.V. come nelle EPROM oppure elettricamente
come nelle EEPROM. Questi ultimi dispositivi sono chiamati GAL, generic array logic. Fondamentale per la
loro programmazione è l'utilizzo di pacchetti software.
ELENCO DEI PROGRAMMABILI:
PAL: Matrice AND programmabile – matrice OR fissa
PLA: Matrice AND programmabile – matrice OR programmabile
PLD o PLS: sintesi di circuiti sia combinatori che sequenziali
FPLA: dispositivi cancellabili e riprogrammabili simili alle PLA
FPGA – EPLD - EPAL: cancellazione e riprogrammazione del circuito combinatorio e
sequenziale come nelle memorie EPROM.
E2PAL – GAL: cancellazione e riprogrammazione del circuito combinatorio e
sequenziale tramite impulsi elettrici
LCA: si autoprogrammano all’accensione andando a leggere in una memoria (RAM) di
programma esterna ( carenti in fatto di sicurezza)
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1.7.1 GAL 16v8 DESCRIZIONE GENERALE
The PALCE16V8 is an advanced PAL device built with low-power, high-speed, electricallyerasable
CMOS technology. It is functionally compatible with all 20-pin GAL devices. The
macrocells provide a universal device architecture. The PALCE16V8 will directly replace the
PAL16R8, with the exception of the PAL16C1.
The PALCE16V8Z provides zero standby power and high speed. At 30-µA maximum standby
current, the PALCE16V8Z allows battery-powered operation for an extended period.
The PALCE16V8 utilizes the familiar sum-of-products (AND/OR) architecture that allows users to
implement complex logic functions easily and efficiently. Multiple levels of combinatorial logic
can always be reduced to sum-of-products form, taking advantage of the very wide input gates
available in PAL devices. The equations are programmed into the device through floating-gate
cells in the AND logic array that can be erased electrically.
The fixed OR array allows up to eight data product terms per output for logic functions. The
sum of these products feeds the output macrocell. Each macrocell can be programmed as
registered or combinatorial with an active-high or active-low output. The output configuration
is determined by two global bits and one local bit controlling four multiplexers in each
macrocell.
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