Was ist eine PLD?
Ein programmierbare logische Schaltung (PLD) ist ein integrierter Schaltkreis, dessen interne logische Schaltungen vom Benutzer nach der Herstellung definiert und verändert werden können.
Im Vergleich zu ASICs (integrierte Schaltungen, die mehrere Funktionsschaltungen für bestimmte Anwendungen in einer einzigen zusammenfassen) und ASSPs (LSIs, die auf Funktionen und Zwecke mit begrenzten Bereichen und Anwendungen spezialisiert sind) bieten PLDs eine größere Designflexibilität und niedrigere Kosten. Daher werden sie in einer Vielzahl von elektronischen Geräten eingesetzt.
Es gibt verschiedene Arten von PLDs, darunter FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) und CPLD (Complex Programmable Logic Devices). FPGAs sind PLDs mit vielen Schaltkreisen, die logische Operationen ausführen, so genannte Gate Arrays. CPLDs haben weniger Gatter-Arrays als FPGAs, sind aber billigere PLDs als FPGAs.
Anwendungen von PLDs
Aufgrund ihrer hohen Flexibilität und Effizienz werden PLDs in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt. Spezifische Anwendungsfälle werden im Folgenden beschrieben:
1. Telekommunikationsindustrie
In der Telekommunikationsbranche ist es üblich, dass sich die Hardware-Designs häufig ändern, da immer vielfältigere und schnellere Kommunikationsprotokolle benötigt werden. Unter diesen Umständen nutzen PLDs die Vorteile ihrer Reprogrammierbarkeit, um ein schnelles Hardware-Redesign zu ermöglichen. Dadurch wird die für die Anpassung an neue Kommunikationsstandards erforderliche Zeit erheblich verkürzt und eine schnellere Markteinführung ermöglicht.
2. Automobilindustrie
Die Automobilindustrie setzt PLDs ein, um die Entwicklungszyklen zu verkürzen und so auf die rasche Entwicklung und Standardisierung fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme und Erfahrungen im Auto zu reagieren. PLDs werden auch zur Erfüllung von Sicherheitsstandards und für die Motorsteuerung und das Batteriemanagement in Hybrid- und Elektrofahrzeugen eingesetzt.
3. Unterhaltungselektronikindustrie
Die Hersteller von Geräten der Unterhaltungselektronik sind einem starken Wettbewerb ausgesetzt und müssen schnell auf die sich ändernden Anforderungen der Verbraucher reagieren. Sie werden eingesetzt, um verschiedene Videostandards zu unterstützen und um KI-Funktionen hinzuzufügen.
Funktionsweise von PLDs
Die Funktionsweisen der PLDs erfordern ein Verständnis der internen Struktur und der Hardwarebeschreibungssprache. Durch die Verwendung interner Strukturen und HDLs sind PLDs äußerst flexibel und effizient, so dass sie sich an ein breites Spektrum von Anwendungen anpassen lassen.
1. Interne Struktur von PLDs
Die interne Grundstruktur eines PLDs besteht aus programmierbaren logischen Gattern und programmierbaren Verbindungen zur Verbindung dieser Gatter. Logikgatter sind elektronische Bauelemente, die bestimmte logische Operationen (UND, ODER usw.) an Eingangssignalen durchführen, die kombiniert werden können, um komplexe logische Funktionen zu realisieren.
Einige PLDs reichen von einfachen Gate-Level-Bausteinen (z. B. programmierbare logische Schaltungen (PALs)) bis hin zu Bausteinen mit anspruchsvolleren Funktionen (z. B. komplexe programmierbare logische Schaltungen (CPLD) und feldprogrammierbare Gate Arrays (FPGAs)).
2. Hardware-Beschreibungssprache
Zur Programmierung von PLDs werden Hardware-Beschreibungssprachen (HDLs) verwendet. HDLs sind spezielle Programmiersprachen zur Beschreibung digitaler Systeme und werden häufig für den logischen und physikalischen Entwurf verwendet.
Zu den HDLs gehören VHDL und Verilog usw. Mit HDL können Ingenieure das Verhalten von Hardware genau beschreiben und ihren Betrieb simulieren. Darüber hinaus wird diese Beschreibung vom Werkzeug in ein Netzwerk von logischen Gattern umgewandelt, die schließlich in eine PLD programmiert werden.
Arten von PLDs
PLDs lassen sich je nach ihrer internen Struktur und Programmierbarkeit in verschiedene Typen einteilen. Die wichtigsten Typen sind im Folgenden aufgeführt:
1. PLAs
PLAs (Programmable Logic Device) sind eine der grundlegendsten PLDs und verfügen über eine Reihe von Logikgattern, die so programmiert werden können, dass sie bestimmte logische Funktionen ausführen.
2. PALs
PALs (programmierbare Array-Logik) verfügen über ein programmierbares AND-Array und ein festes OR-Array. Sie eignen sich für einfache Gatter mit einer Größe von einigen hundert Schaltkreisen.
3. CPLDs
CPLDs (Complex Programmable Logic Device) haben eine größere Anzahl von Gattern als PALs und eignen sich für den Entwurf größerer digitaler Systeme; CPLDs haben eine höhere Dichte und eine größere Kapazität, so dass mehrere Geräte in ein einziges integriert werden können und die Systemkomplexität besser beherrschbar wird.
4. FPGAs
FPGAs (feldprogrammierbare Gate-Arrays) sind die anspruchsvollsten PLDs, die bis zu Millionen von logischen Gattern in programmierbarer Form enthalten; FPGAs haben ein hohes Maß an Flexibilität und werden für den Entwurf und das Prototyping sehr großer digitaler Systeme verwendet.