PLD - Programmable Logic Device

Sie eröffnen gerade eine neue Produktionsstraße oder modernisieren eine bereits bestehende und benötigen Funktionen, die Ergebnisse schnell zur Verfügung stellen und die es auf dem Markt nicht gibt? Oder Sie sind im Automotive Bereich tätig und brauchen eine spezifische Datenverarbeitung, die innerhalb von Nanosekunden abläuft? In beiden Fällen könnten programmierbare Bausteine wie z.B. PLDs die Lösung für Ihr Problem sein. Was das ist und wie Sie es nutzen können, erfahren Sie im folgenden Artikel.

PLD und FPGA - Was ist das?

PLD steht für „Programmable Logic Device“ und bezeichnet programmierbare Hardware, mit welcher man kundenspezifische Funktionen in Hardware realisieren kann. Der wichtigste Vertreter der PLDs ist das FPGA („Field Programmable Gate Array“), welches sich dadurch auszeichnet, dass es auf SRAM Technologie basiert und jedes Mal bei Einschalten der Spannungsversorgung aus einem nicht flüchtigen Speicher geladen werden muss, damit es seine Funktionalität erhält. Um spezifische Aufgaben zu lösen, beschreibt man die gewünschte Funktionalität in einer speziellen Hardwarebeschreibungssprache, meist VHDL, synthetisiert (kompiliert) diese Beschreibung, verteilt die entstandene Logik auf die Ressourcen im Chip (Place & Route) und weist die Ein- und Ausgangssignale den jeweiligen Pins zu. Die am Ende dieses Prozesses entstandene Datei wird auf den programmierbaren Chip geladen, welcher dann diese Funktionalität an seinen Anschlüssen mit einer Signal Verarbeitungsgeschwindigkeit, die seinen nicht programmierbaren Verwandten (ASICs) entspricht, zur Verfügung stellt.

Vorteile von FPGAs

FPGAs werden - ähnlich wie die viel verwendeten Microcontroller - in kundenspezifischen Anwendungen eingesetzt, doch sie verarbeiten die Daten parallel in Hardware statt sequenziell in Software, was eine deutlich höhere Geschwindigkeit erlaubt. Zudem kann man den FPGA bereits für geringe Stückzahlen individuell programmieren, statt seine Logik aus vielen integrierten Schaltkreisen zusammenzusetzen.
Darüber hinaus ist es möglich, im laufenden Betrieb eine neue Logik auf den FPGA zu laden, um unterschiedliche Funktionen während des Betriebes zur Verfügung zu stellen. Durch all das sind FPGAs viel flexibler als Microcontroller.

Anwendungsbeispiel

Durch seine oben beschriebenen Eigenschaften sind FPGAs immer dort sehr vorteilhaft einzusetzen, wo es darum geht komplexe, applikationsspezifische Vorgänge, schnell zu bearbeiten.
Zum Beispiel bei der Qualitätsüberwachung in einer Produktionsstraße, wo verschiedenste Signale von Sensoren schnell ausgewertet werden müssen, um in Abhängigkeit des Ergebnisses dann Aktionen zu veranlassen, also Aktoren anzusteuern. Dies wird in Form von komplexen Schaltwerken in den FPGAs realisiert.
Man denke hier zum Beispiel an eine Sortierstraße von Paketen, in welcher die Pakete in Abhängigkeit von Abmessungen, Schwere, Zielort, Zustand der Verpackung oder Lesbarkeit der Adresse zu unterschiedlichen Bearbeitungsstationen transportiert werden müssen. Hier müssen Sensordaten schnell ausgewertet werden, um eine hohe Sortierrate zu gewährleisten, rechtzeitig die Transportweichen zu stellen und damit eine möglichst hohe Transport- und Sortiergeschwindigkeit zu erreichen.

Somit eignen sich FPGAs besonders gut im Edge-Computing, aber auch in der Automotive Branche, wo komplexe Daten aufgabenspezifisch in Echtzeit verarbeitet werden müssen.

Unsere Berater helfen Ihnen gerne, wenn Sie FPGAs für Ihre Anwendung einsetzen möchten.