Digitaalitekniikka

on kokenut viime vuosina perusteellisen mullistuksen ohjelmoitavien mikropiirien huiman kehityksen myötä. Hajalogiikkaa ei enää pienissäkään valmistussarjoissa kannata kasata erillisistä TTL- tai CMOS-paketeista. Järjestelmät kootaan prosessoreista, muisteista ja oheispiireistä, joiden tarvitsemat aputoiminnat pakataan sopivan kokoiseen CPLD- tai FPGA-piiriin.

CPLD-piirit hajalogiikan korvaajina

CPLD-piirit soveltuvat erityisen hyvin juuri hajalogiikan korvaajaksi. Niiden ajastusominaisuudet ovat tarkasti ennustettavissa, joten ajoitusten kanssa ei tule yllätyksiä. Lisäksi nämä piirit voidaan tavallisesti ohjelmoida uudelleen suoraan piirilevyllä, joten suunnitteluvirheiden korjaus ja usein jopa täysin uusien toimintojen lisääminen on mahdollista ilman kalliita ja hitaita piirilevymuutoksia.

FPGA-piireillä ASIC-piirien edut myös pienissä sarjoissa

FPGA-piirit ovat sisäiseltä rakenteeltaan hienojakoisempia kuin CPLD-piirit. Suunnittelutyökalut pystyvät helpommin käyttämään FPGA-piirin logiikkaelementtejä tehokkaasti, joten piirien käyttöaste muodostuu suuremmaksi kuin CPLD-piireissä. Sen sijaan ajoitusta on vaikeampi ennustaa, koska johdotus muodostaa merkittävän osan kytkennän viiveistä.

FPGA-piirien suunnittelussa kannattaakin käyttää täysin samoja menetelmiä kuin varsinaisten prosessoitavien ASIC-piirien suunnittelussakin. Toimivuuden varmistamiseksi kytkentää joudutaan simuloimaan useissa eri työvaiheissa: funktionaalinen simulointi toimintavirheiden paljastamiseksi ja ajastussimuloinnit sijoittelu- ja reititysvaiheiden jälkeen. Laajoissa suunnittelutöissä on lisäksi suurta apua VHDL-kuvauskielen käytöstä, koska silloin voidaan käyttää kehittyneitä suunnittelumenetelmiä, käyttäytymis- RTL- ja porttimalleja sekä testipenkkejä monimutkaisten herätteiden muodostamiseen ja vasteiden tarkistamiseen.

Uusia mahdollisuuksia

Ohjelmoitavat piirit tekevät mahdolliseksi aivan uudenlaisia joustavia ratkaisuvaihtoehtoja. SRAM-pohjaiset ohjelmoitavat piirit voidaan konfiguroida uudelleen laitteiston normaalitoiminnan aikana. Laitteiston toimintojen päivitys voi tapahtua täysin samoin kuin ohjelmistonkin päivitys.

Eräissä teollisuuselektroniikan sovellutuksissa on selvää etua siitä, että ohjelmoitavaan logiikkapiiriin piilotetun logiikan toimintaa on huomattavasti vaikeampi selvittää ja kopioida kuin esimerkiksi sulautetun järjestelmän ohjelmiston toimintoja. Yritykset voivat näin vaikeuttaa tuotteidensa tai niiden toimintaperiaatteiden kopiointia.

Tehokkaissa sulautetuissa järjestelmissä olisi monesti edullista hyödyntää PC:n nopean kehityksen mukanaan tuomia edullisia ja tehokkaita oheispiirejä. Esteeksi on kuitenkin ilmaantunut yllättävä vaikeus: piirien elinikä on vain muutamia vuosia. Kun komponentti ei ole enää käytössä uusimmissa mikroissa, sen valmistus lopetetaan armotta. Näiden piirien valmistajat ovat kiinnostuneita vain erittäin suurista valmistusmääristä.

Kulutuselektroniikassa tämä ei ole ongelma, mutta perinteinen suomalainen teollisuuselektroniikka tarvitsee komponentteja, joiden saatavuus on taattu ainakin viideksi, mieluummin kymmeneksi vuodeksi. Ohjelmoitavat piirit ovat ratkaisu tähänkin pulmaan. Eikä kaikkia piirejä tarvitse suunnitella itse uudelleen. Nopeasti "vanhenevat" oheispiirit ja emolevyjen systeemipiirit jatkavat usein elämäänsä toisessa olomuodossa, koodimakroina. Useat yritykset toimittavat tunnettujen prosessoreiden ja oheispiirien tarkkoja klooneja, jotka asiakas voi istuttaa omiin ASIC- tai CPLD/FPGA-piireihinsä. Tälläisinä koodimakroina voi saada muiden muassa 8051-, 680x0- ja 80x86-sarjan prosessoreita, väyläohjaimia, sarjaliikennepiirejä ja näytönohjaimia.


© Jukka Tolonen, 1998-2003

email: