“Circuitos Eléctricos y Electrónicos”

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Si bien construir estos circuitos parece una cuestión superada, diseñarlos supone un serio problema. Los primeros circuitos integrados eran diseñados a partir del trazado directo de las máscaras sobre un editor de layout, y prácticamente no eran comprobados antes de fabricarse. Se confiaba en la pericia del diseñador a la hora de elaborar los dibujos. Con la aparición de los primeros ordenadores de entonces gran potencia, llamados estaciones de trabajo (concepto que hoy en día no difiere sustancialmente del de ordenador personal) se incorporaron complejos programas de resolución de ecuaciones diferenciales que permitían, alimentados con un modelo matemático del circuito, verificar su funcionalidad antes de la fabricación. Este esquema funcionaba con circuitos digitales, y aún funciona, con circuitos analógicos, con escaso número de elementos muy bien dimensionados para determinar fielmente su comportamiento. La microelectrónica digital continúa por otro camino su desarrollo con herramientas específicas, como son los simuladores digitales o los generadores automáticos de layout, que resuelven el problema de la construcción del circuito y la verificación del mismo. Nace así la ingeniería de computación o CAE en las que se delegan en herramientas software las tareas de manejo de grandes cantidades de información, bases de datos que, de forma óptima contienen la información acerca de la funcionalidad del circuito, de su geometría y de su conexiones así como de su comportamiento eléctrico. Si bien, por un lado la electrónica digital supone una simplificación funcional de un comportamiento analógico, el tamaño de los circuitos digitales es una complicación que requiere una visión del problema muy diferente.

Una vez comentada la incidencia de la tecnología nos centramos en la especificación de la funcionalidad en sí, lo que se ha dado en llamar la interrelación hombre-máquina. Tradicionalmente se han utilizado los editores de esquemas, como parte del flujo de CAE o secuencia de programas que se han de utilizar para construir nuestro circuito integrado. Estos editores son un magnífico mecanismo de proyección de un diagrama de símbolos (tradicionalmente es el lenguaje utilizado por la electrónica) para expresar la funcionalidad deseada. Estos editores tienen un nivel de desarrollo espectacular. Son capaces de dar una visión muy precisa y completa del diseño rápidamente. A esto ha contribuido en gran manera el auge de los entornos gráficos de los sistemas operativos al estilo del conocido Windows, que a finales de los ochenta tenía ya unos predecesores de gran potencia y prestaciones.

Sin embargo la complejidad de los circuitos digitales aumentaba y las prestaciones de los editores de esquemas no eran suficientes para responder a una capacidad de diseño tan elevada. Editar un esquema requiere un esfuerzo de desarrollo muy alto. Para una determinada función:

La función ha de presentarse sin errores en ninguna conexión y función lógica. Se precisa una verificación, por simple que sea el módulo.

• La presentación del esquema ha de ser limpia y permitir una lectura rápida.

• Las señales han de tener asociadas un nombre significativo que permita su posterior identificación.

• Se construye a partir de unos elementos funcionales contenidos en una librería que proporciona un fabricante y por tanto ligada al mismo.

• La edición se hace con una interacción ratón, teclado, paleta de dibujo... etc. que ralentiza mucho el proceso de inserción del esquema.

• Como se puede observar la técnica de los esquemas es suficiente, pero requiere para cada unidad un gran esfuerzo y tiempo. ¿Qué hacer ante este panorama?

A principios de los años 90 Cadence Design Systems, líder mundial en sistemas de CAE para microelectrónica, propone el Verilog, un lenguaje alfanumérico para describir los circuitos de forma sencilla y precisa: es el primer lenguaje de descripción de hardware en sentido amplio como veremos en epígrafes posteriores. Otros fabricantes de hardware habían propuesto un lenguaje más centrado en la resolución de un problema concreto: generación de una función para un dispositivo programable, resolución del circuito de una máquina de estados finitos a partir de su descripción de la evolución de los estados,... etc. Nacen los conceptos de descripción de alto nivel y de síntesis lógica, que posteriormente formalizaremos.

En el año 1982 el Departamento de Defensa de los Estados Unidos promueve un proyecto para desarrollar un lenguaje de descripción (conocido como MIL-STD-454L) de hardware que:

• Describiera los circuitos digitales de forma amplia: Funcionalidad, tecnología y conexionado

• Permitiera describir y verificar los circuitos a todos los niveles: funcional, arquitectural y tecnológico (posteriormente matizaremos estas tres categorías).

• Describiera la tecnología misma, para poder diseñar circuitos que sean independientes de la propia tecnología o bien durante la puesta a punto del proceso de fabricación.

• Describiera modelos del entorno en el que se va a insertar el circuito de forma que hubiese unas posibilidades de verificación más amplias del propio circuito.

El lenguaje resultante es el VHDL, que responde a las siglas VHSIC HDL (Very High Speed Integrated Circuits, Hardware Description Language), y es ratificado por el Instituto para la Ingeniería Eléctrica y Electrónica (IEEE, en 1987) en la norma IEEE-1076. Aunque en este sentido el Verilog cumple las propuestas anteriormente anunciadas, el VHDL se impone como lenguaje estándar de diseño. Posteriormente veremos diferencias generales entre uno y otro. Por el momento nos referiremos a los HDL’s como lenguajes alfanuméricos comprensibles para describir circuitos electrónicos en sentido amplio. En primer lugar veremos cuál ha sido la aportación de los HDL’s en la metodología clásica de diseño.

HDL

Un HDL se describe como un Lenguaje de Descripción de Hardware el cual nos permite describir “Circuitos Digitales Complejos” mediante lenguaje basado en texto y de la misma manera nos permite “Diseñar e Implementar” circuitos digitales complejos.

Un HDL que ya está estandarizado por el IEEE (Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica) es el VHSIC que por sus siglas en ingles es “Very High Speed Integrated Circuit” Description Language.

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