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Warum sich MCU-Anwender mehr für FPGAs interessieren sollten

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FPGA-Implementierung für MCU-Anwender

Die Argumente für eine Überprüfung der normalen Architektur kleiner Embedded-Systeme und für den Einsatz von FPGAs werden in dem Maß wichtiger, wie die Anzahl der Sensoren und Verbindungen zunimmt. Trotzdem sind die Anwender von MCUs ihrer bisherigen Technik treu geblieben, nicht zuletzt deshalb, weil sie die Entwicklungskette und das Ökosystem ihrer Produktentwicklung verstehen und gut damit vertraut sind. Wie schwierig ist es für einen MCU-Anwender, ein FPGA in eine Neuentwicklung zu integrieren?

Hierfür bieten die FPGA-Hersteller ein umfassendes Ökosystem aus Werkzeugen, Boards und geistigem Eigentum (IP), um die Systementwicklung zu beschleunigen. Ein neuer FPGA-Anwender muss nicht bei Null anfangen: FPGA-Hersteller und Drittanbieter von Software bzw. Firmware bieten eine große Auswahl von geistigem Eigentum (Intellectual Property IP) an, das in einer Entwicklung integriert werden kann. So enthält z.B. die Open-Cores-Website (opencores.org) zahlreiche IP-Pakete, die auf den meisten aktuell im Markt erhältlichen FPGA implementiert werden können.

Zu den IP-Elementen, die den FPGA-Anwendern zur Verfügung stehen, gehört eine große Vielfalt einzelner Funktionsblöcke jeder Art. So liefert Helion Technologies (www.heliontech.com) z.B. IP für Sicherheitsfunktionen auf Lattice FPGAs wie schnelle Hash-Cores, DES- und Triple-DES-Cores sowie einen AES-Core.

Das IP-Angebot reicht bis zu umfassenden Referenzentwicklungen. Lattice bietet für seine iCE40 FPGA-Serie unter anderem Referenzentwicklungen für:

  • Barcodeemulation
  • Infrarotfernbedienungen
  • Schrittzähler
  • Anbindung von Sensoren
  • Steuerung von RGB-LED
  • Erkennung und Spannungsversorgung bei USB-Typ-C-Kabeln

Sprachunterstützung und Bereitstellung von IP werden ergänzt durch die eigenen integrierten Entwicklungsumgebungen der FPGA-Hersteller, die Funktionen für Debugging, Leistungsanalyse und andere nützliche Funktionen enthalten. Während den MCU-Anwendern die Sprachen zur Hardwarebeschreibung von FPHA, Verilog oder VHDL, nicht vertraut sein dürften, beschränkt sich der Aufwand bei der Hardwarekonfiguration dank Standard-Softwareressourcen auf ein Minimum.

Der Mikrocontroller in einem FPGA

Ein FPGA kann damit als Alternative zu einer MCU eingesetzt werden. Ebenso kann es eine MCU enthalten. Hierzu kann der Entwickler die Funktionsblöcke einer MCU in der Sprache zur Hardwarebeschreibung definieren. Alternativ kann der gewünschte MCU-Code in Form von Soft-Core-IP eines Drittanbieters implementiert werden.

Das ist beispielsweise dann praktisch, wenn der Prozessor eines laufenden Produkts abgekündigt wird. Wenn die MCU in einem FPGA emuliert wird, kann die Produktion weiterlaufen. Ein zweites Argument für den Anwender ist die geringere Größe. Wenn der Entwickler die Funktionen, die aktuell mit einer MCU und zahlreichen diskreten Bausteinen realisiert sind, in ein FPGA überführt, kann er das Layout der Leiterplatte vereinfachen und die Produktions- und Materialkosten minimieren.

FPGAs haben auch beim Layout der Leiterplatte deutliche Vorteile gegenüber MCUs. FPGAs bieten verschiedene Logikschnittstellen, z.B. LVTTL, LVCMOS und LVDS, mit verschiedenen Spannungen und sogar unterschiedlichen Treiberstärken. Die Anschlüsse des FPGAs lassen sich vertauschen, so dass der Entwickler der Leiterplatte dem Bauteil die Signale quasi über beliebige Anschlüsse zuführen kann.

Es gibt also viele Möglichkeiten eine Schaltung mit FPGAs besser zu implementieren als bislang mit MCUs. Und durch die flexible parallele Verarbeitung mehrerer Datenströme bietet ein kleines FPGA mit geringem Energiebedarf einen von sich aus schon besser geeigneten Rahmen für die Implementierung von Embedded-Entwicklungen mit immer zahlreicheren Sensoren.

//SG

* Pawel Makyla ist Central Applications Engineer bei Future Electronics (EMEA).

* Wafy Butty ist FPGA-Spezialist bei Future Electronics (Zentraleuropa).

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