CPLD-Grundlagen: Konzepte, Architektur, Anwendungen und CPLDs vs. FPGAs

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Was ist ein Mikrochip-CPLD?

Ein Complex Programmable Logic Device (CPLD) ist eine Kombination aus einer Bank von Makrozellen und einem vollständig programmierbaren UND/ODER-Array. Das UND/ODER-Array kann eine Vielzahl von Logikoperationen ausführen und ist konfigurierbar. Als Makrozellen bekannte Funktionseinheiten können kombinatorische oder sequentielle Logik ausführen und verfügen außerdem über die zusätzliche Flexibilität von True oder Complement sowie über eine Vielzahl von Rückkopplungspfaden.

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Geschichte der CPLDs

In den frühen 1980er Jahren wurden die ersten CPLDs veröffentlicht. Sie wurden als anpassbarerer und kostengünstigerer Ersatz für herkömmliche Gate-Arrays entwickelt. Innerhalb kurzer Zeit fanden CPLDs breite Anwendung in zahlreichen Anwendungen. Hier sind einige Schlüsselereignisse in der Entwicklung von CPLDs:

Das erste CPLD wurde 1988 von Altera mit dem MAX5000 eingeführt.
Actel bringt 1990 die ProASIC-Familie von CPLDs auf den Markt.
Die LatticeECP1-Serie von CPLDs wurde erstmals 1993 von Lattice Semiconductor eingeführt.
Die Spartan-Familie von FPGAs, die mit CPLDs konkurriert, wurde erstmals 1995 von Xilinx eingeführt.
Die Stratix-Familie von FPGAs, die weiter mit CPLDs konkurriert, wurde 2000 von Altera eingeführt.
2005 kaufte Microchip Actel, einen bedeutenden CPLD-Hersteller.
Die MachXO-Serie von CPLDs wird 2010 von Lattice Semiconductor eingeführt.
Die Artix-Familie von FPGAs, die eine kostengünstigere Alternative zur Spartan-Familie darstellt, wird 2015 von Xilinx eingeführt.

Video zum Thema CPLD

Architektur von CPLDs

Die folgenden drei Komponenten bilden in den meisten Fällen ein CPLD:

PLBs oder programmierbare Logikblöcke: Die PLBs sind die grundlegenden Komponenten eines CPLD. Sie können so eingerichtet werden, dass sie eine Reihe verschiedener logischer Operationen ausführen. In jedem PLB sind häufig einige Flip-Flops, einige Logikgatter und eine Steuerlogik enthalten.

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Programmierbare Verbindungt: Die PLBs sind durch die programmierbare Verbindung verbunden. Sie ermöglicht die Kommunikation zwischen PLBs und mit der Außenwelt. Ein Gitter aus Drähten und Schaltern bildet normalerweise die programmierbare Verbindung.

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Speicherblock: Informationen und Anweisungen werden im Speicherblock gespeichert. Normalerweise besteht der Speicherblock aus einigen Registern und einigen Steuerschaltkreisen.

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Die PLBs sind die wichtigste Komponente eines CPLD. Die Komplexität eines CPLD und seine Fähigkeit, anspruchsvolle Logikoperationen auszuführen, werden durch die Anzahl der darin enthaltenen PLBs bestimmt. Eine weitere wichtige Komponente ist die programmierbare Verbindung. Es ermöglicht die Kommunikation zwischen PLBs und mit der Außenwelt. Der Speicherblock kann zum Speichern von Daten und Anweisungen verwendet werden, ist jedoch nicht so wichtig wie PLBs und die programmierbare Verbindung. Die Architektur eines CPLD kann sich je nach Hersteller und speziellem CPLD ändern. Alle CPLDs teilen jedoch die grundlegende Architektur, die zuvor definiert wurde.

Anwendungen von CPLDs

Netzwerkgeräte: CPLDs werden in Switches, Routern und anderen Netzwerkgeräten verwendet. Sie können zum Erstellen von Routingtabellen, Protokollen und anderen Funktionen verwendet werden.
Automobilsysteme: CPLDs werden in Autos und anderen Fahrzeugen verwendet. Sie können verwendet werden, um Getriebesteuergeräte, Motorsteuergeräte und andere Systeme zu betreiben.
Industrielle Steuerung: Systeme für die industrielle Steuerung verwenden CPLDs. Sie können verwendet werden, um Maschinen, Roboter und andere Geräte zu betreiben.
Unterhaltungselektronik: CPLDs werden in Geräten wie Fernsehern, DVD-Playern und Kameras verwendet. Sie können verwendet werden, um Funktionen wie Benutzeroberflächen, Audioverarbeitung und Videoverarbeitung zu implementieren.
Medizinische Geräte: CPLDs werden in Geräten wie Defibrillatoren und Herzschrittmachern verwendet. Sie können verwendet werden, um die Funktionsweise dieser Geräte zu steuern.
Geräte zum Testen und Messen: In diesen Geräten werden CPLDs verwendet. Sie können verwendet werden, um logische Operationen durchzuführen und die Steuerung von Testgeräten zu steuern.
Anwendungen im Militär und in der Luft- und Raumfahrt: In diesen Bereichen werden CPLDs eingesetzt. Neben der Ausführung anderer Aufgaben können sie zum Erstellen von Steuerungssystemen verwendet werden.

Wofür werden CPLDs verwendet?

Field Programmable Gate Array-Konfigurationsdaten werden mithilfe der CPLD-Technologie aus einem nichtflüchtigen Speicher geladen. Aufgrund ihrer geringen Größe und ihres geringen Stromverbrauchs werden CPLDs häufig in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in preisempfindlichen, batteriebetriebenen tragbaren Geräten. Darüber hinaus können CPLDs zur Implementierung einer Vielzahl von Aufgaben verwendet werden, beispielsweise:

Logikgatter: Einfache Logikgatter wie die AND-, OR- und XOR-Gatter können mithilfe von CPLDs implementiert werden.
Endliche Zustandsmaschinen: Endliche Zustandsmaschinen werden verwendet, um das Verhalten elektronischer Systeme zu regulieren, und sie können mithilfe von CPLDs implementiert werden.
Datenkonverter: CPLDs können Daten zwischen verschiedenen Formaten konvertieren.
Kommunikationsschnittstellen: CPLDs können Kommunikationsschnittstellen wie Ethernet und serielle Ports implementieren.
Zeitsteuerungen: CPLDs können als Zeitsteuerungen verwendet werden, um die Zeitsteuerung elektronischer Systeme zu regeln.

CPLDs vs. FPGAs

Obwohl sowohl CPLDs als auch FPGAs programmierbare Logikbausteine sind, unterscheiden sie sich in ihren Vor- und Nachteilen. CPLDs haben weniger Logikressourcen, sind aber kleiner und weniger teuer als FPGAs. FPGAs haben mehr Logikressourcen als CPLDs, sind aber größer und teurer. Hier ist eine Tabelle, die die wichtigsten Unterschiede zwischen CPLDs und FPGAs zusammenfasst:

Funktion	CPLD	FPGA
Logikressourcen	Weniger	Mehr
Größe	Kleiner	Größer
Kosten	Weniger teuer	Teurer
Flexibilität	Weniger flexibel	Flexibler
Leistung	Geringere	Höher
Stromverbrauch	Niedriger	Höher

Fazit

CPLDs sind ein flexibles und effektives Werkzeug, mit dem eine breite Palette digitaler Schaltkreise erstellt werden kann. Sie sind eine ausgezeichnete Option für Anwendungen, die geringe Größe, niedrige Kosten und moderate Logikkomplexität erfordern.