Programmierbare Logikgeräte: Mach deine eigenen Mikrochips!

Programmierbare Logikgeräte: Mach deine eigenen Mikrochips!

Table of Contents:

1. Einführung in die Welt der programmierbaren Logik
2. Die verschiedenen Arten von programmierbaren Logikgeräten
3. Die Geschichte der PALs und GALs
4. Die Funktionsweise von programmierbaren Logikgeräten
5. Programmierbare Array-Logik (Pal) vs. Generic Array-Logik (GAL)
6. Complex Programmable Logic Devices (CPLD) vs. Field Programmable Gate Arrays (FPGA)
7. Die Programmierung von PALs und GALs
8. Selbstbau eines Programmiergeräts für PALs und GALs
9. Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile von programmierbaren Logikgeräten
10. Fazit

Die Welt der Programmierbaren Logikgeräte: Ein Überblick

Die Verwendung von programmierbaren Logikgeräten (PLDs) ermöglicht es, komplexe Schaltungen und Logikfunktionen mit nur einem einzigen Chip zu realisieren. Diese Geräte bieten eine flexible Lösung für elektronische Projekte, insbesondere wenn zeitnahe Lieferung von benötigten Bauteilen nicht möglich ist. In diesem Artikel werden wir uns eingehend mit den verschiedenen Arten von PLDs, ihrer Funktionsweise und Programmierung sowie ihren Anwendungsmöglichkeiten beschäftigen.

Einführung in die Welt der programmierbaren Logik

Programmierbare Logikgeräte (PLDs) sind integrierte Schaltkreise (ICs), die mit individuellen Logikfunktionen programmiert werden können. Sie ermöglichen die Implementierung komplexer digitaler Schaltungen mit einer einzigen Chiplösung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Logikgattern, bei denen verschiedene ICs verwendet werden müssen, bieten PLDs eine kosteneffiziente und flexible Alternative. Es gibt verschiedene Arten von PLDs, darunter Programmable Array Logic (PAL), Generic Array Logic (GAL), Complex Programmable Logic Devices (CPLD) und Field Programmable Gate Arrays (FPGA).

Die verschiedenen Arten von programmierbaren Logikgeräten

1. Programmable Array Logic (PAL)

   • Ursprünglich in den 1970er Jahren eingeführt
   • Kann nur einmal programmiert werden
   • Spätere Weiterentwicklungen ermöglichten das Löschen und Neuprogrammieren von PALs

2. Generic Array Logic (GAL)

   • Von Lattice in den 1980er Jahren eingeführt
   • Ermöglicht das Nachahmen verschiedener festverdrahteter PALs
   • Andere Hersteller haben ähnliche Chips auf den Markt gebracht, z.B. PEEL von CMOS Technology und ATF von Atmel

3. Complex Programmable Logic Devices (CPLD)

   • Bieten eine größere Anzahl von Logikgattern und I/O-Pins
   • Geeignet für komplexe Aufgaben und die Realisierung von Mikrocontrollern

4. Field Programmable Gate Arrays (FPGA)

   • Bieten noch größere Flexibilität und Funktionalität als CPLDs
   • Können komplexe Schaltungen und sogar ganze Mikrocontroller realisieren

Die Geschichte der PALs und GALs

Die Programmierbare Array-Logik (PAL) wurde in den 1970er Jahren entwickelt und war eine der ersten Formen programmierbarer Logikgeräte. Ursprünglich konnten PALs nur einmal programmiert werden, aber später kamen UV-löschbare EPALs und elektrisch löschbare EE-PALs auf den Markt. Die PALs hatten jedoch den Nachteil, dass man zwischen verschiedenen Typen mit unterschiedlicher festverdrahteter Ausgangslogik wählen musste.

1984 führte Lattice die Generic Array-Logik (GAL) ein, die es ermöglichte, verschiedene festverdrahtete PALs nachzuahmen. Andere Hersteller brachten ebenfalls ähnliche Chips auf den Markt. GAL wurde oft als Synonym für die E-PALs verwendet, aber eigentlich handelt es sich dabei um eine spezifische Marke. Lattice hat die GAL mittlerweile eingestellt, aber die ATFs von Atmel, jetzt Microchip, werden immer noch hergestellt. Die GALs sind auch als New Old Stock von verschiedenen Lieferanten erhältlich und eignen sich besonders für kleinere Logikschaltungen wie "Glue Logic".

Die Funktionsweise von programmierbaren Logikgeräten

Programmierbare Logikgeräte basieren auf der Tatsache, dass jede digitale Schaltung aus OR-Gattern, AND-Gattern und Invertern aufgebaut werden kann. Das Array-Logic-Konzept besteht aus einer Kombination von OR- und AND-Gattern, die durch programmierbare Schalter, sogenannte Sicherungen, gesteuert werden. Dabei bestimmen die Sicherungen, welche Eingänge für die AND-Gatter Relevant sind.

Die Programmierung eines Schaltkreises erfolgt durch das Festlegen der Sicherungen entsprechend einer Booleschen Funktion. Die Verbindung der Eingänge mit den Sicherungen erfolgt entweder direkt oder über einen Inverter. Die Ausgangslogik enthält in der einfachsten Konfiguration ein OR-Gatter mit 8 Eingängen für die Produktterme. Daran schließt sich ein XOR-Gatter als schaltbarer Inverter für die negative Logik an, gefolgt von einem Ausgangstreiber und einer Rückkopplung in die Sicherungsmatrix.

Programmable Array Logic (PAL) vs. Generic Array Logic (GAL)

PALs waren eine der ersten Formen programmierbarer Logikgeräte und konnten nur einmal programmiert werden. Später kamen UV-löschbare EPALs und elektrisch löschbare EE-PALs auf den Markt. PALs haben den Nachteil, dass man zwischen verschiedenen Typen mit unterschiedlicher festverdrahteter Ausgangslogik wählen muss.

GAL hingegen ermöglicht es, verschiedene festverdrahtete PALs nachzuahmen. Lattice führte die GAL 1984 ein und andere Hersteller brachten ähnliche Chips auf den Markt. GAL wird oft als Synonym für E-PALs verwendet, ist aber eigentlich nur eine spezifische Marke.

Pros PALs:

• Einfach zu programmieren
• Günstig in der Anschaffung

Cons PALs:

• Begrenzte Programmierbarkeit
• Gegebenenfalls Einschränkungen bei der Auswahl der Ausgangslogik

Pros GALs:

• Flexibler als PALs
• Nachahmung verschiedener festverdrahteter PALs

Cons GALs:

• Manchmal schwieriger zu beschaffen als PALs
• Lattice hat die Produktion der GAL eingestellt

Complex Programmable Logic Devices (CPLD) vs. Field Programmable Gate Arrays (FPGA)

CPLDs und FPGAs sind fortschrittlichere Formen programmierbarer Logikgeräte, die eine größere Anzahl von Logikgattern und I/O-Pins bieten. CPLDs sind besser für komplexe Aufgaben und die Realisierung von Mikrocontrollern geeignet, während FPGAs noch mehr Flexibilität und Funktionalität bieten und sogar ganze Mikrocontroller realisieren können.

Pros CPLDs:

• Größere Anzahl von Logikgattern und I/O-Pins
• Geeignet für komplexe Aufgaben und Mikrocontroller-Implementierung

Cons CPLDs:

• Höhere Kosten im Vergleich zu PALs und GALs
• Komplexere Programmierung als PALs und GALs

Pros FPGAs:

• Noch größere Flexibilität und Funktionalität als CPLDs
• Können komplexe Schaltungen und ganze Mikrocontroller realisieren

Cons FPGAs:

• Höhere Kosten im Vergleich zu CPLDs
• Komplexere Programmierung als CPLDs

Die Programmierung von PALs und GALs

Die Programmierung von PALs und GALs erfolgt in der Regel mit Hilfe von Hardwarebeschreibungssprachen und JDEC-Kompilern. Das JDEC-Format besteht aus der Sicherungsmatrix und den Steuerbits für die Ausgangslogik. JDEC-Dateien können mit jedem Texteditor bearbeitet werden, was jedoch sehr mühsam sein kann. Die Verwendung von Hardwarebeschreibungssprachen und JDEC-Kompilern erleichtert die Programmierung von PALs und GALs erheblich.

Selbstbau eines Programmiergeräts für PALs und GALs

Für Hobbyelektroniker, die keine teuren Programmiergeräte kaufen möchten, ist es möglich, ein eigenes Programmiergerät mit einem Arduino zu bauen. Der Aufbau ist einfach und kann sogar auf einem Steckbrett realisiert werden. Schematik und Software für das Programmiergerät sind auf Github verfügbar. Alternativ kann das Programmiergerät auch direkt von der Laborstromversorgung betrieben werden.

Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile von programmierbaren Logikgeräten

Programmierbare Logikgeräte bieten viele Anwendungsmöglichkeiten in der Elektronikindustrie. Sie können in einer Vielzahl von Projekten eingesetzt werden, z.B. zur Realisierung komplexer Schaltungen, zur Prototypenentwicklung, zur Verbesserung der Effizienz von logischen Operationen und zur Integration mehrerer Funktionen in einem einzigen IC. Die Vorteile von programmierbaren Logikgeräten umfassen Flexibilität, Kosteneffizienz und eine schnellere Markteinführung von Elektronikprodukten.

Fazit

Programmable Array Logic (PAL), Generic Array Logic (GAL), Complex Programmable Logic Devices (CPLD) und Field Programmable Gate Arrays (FPGA) bieten flexible Lösungen für die Umsetzung komplexer digitaler Schaltungen. PALs waren die ersten programmierbaren Logikgeräte, während GALs das Konzept der programmierbaren Ausgangslogik einführten. CPLDs und FPGAs ermöglichen die Realisierung noch komplexerer Aufgaben und bieten mehr Flexibilität als PALs und GALs. Die Programmierung von PALs und GALs erfolgt mit Hilfe von Hardwarebeschreibungssprachen und JDEC-Kompilern. Selbstbau-Programmiergeräte ermöglichen Hobbyelektronikern die Programmierung von PALs und GALs ohne teure Geräte. Programmierbare Logikgeräte finden in der Elektronikindustrie vielfältige Anwendungsmöglichkeiten und bieten zahlreiche Vorteile wie Flexibilität, Kosteneffizienz und schnellere Markteinführung von Elektronikprodukten.

Highlights:

• Programmierbare Logikgeräte bieten flexible Lösungen für komplexe digitale Schaltungen.
• PALs waren die ersten programmierbaren Logikgeräte, GALs führten das Konzept der programmierbaren Ausgangslogik ein.
• CPLDs und FPGAs ermöglichen die Realisierung noch komplexerer Aufgaben.
• Die Programmierung von PALs und GALs erfolgt mit Hilfe von Hardwarebeschreibungssprachen und JDEC-Kompilern.
• Selbstbau-Programmiergeräte ermöglichen die Programmierung von PALs und GALs ohne teure Geräte.
• Programmierbare Logikgeräte finden in der Elektronikindustrie vielfältige Anwendungsmöglichkeiten und bieten zahlreiche Vorteile.

FAQ:

Q: Was sind programmierbare Logikgeräte? A: Programmierbare Logikgeräte (PLDs) sind integrierte Schaltkreise, die mit individuellen Logikfunktionen programmiert werden können. Sie ermöglichen die Implementierung komplexer digitaler Schaltungen mit nur einem einzigen Chip.

Q: Welche Arten von programmierbaren Logikgeräten gibt es? A: Es gibt verschiedene Arten von programmierbaren Logikgeräten, darunter Programmable Array Logic (PAL), Generic Array Logic (GAL), Complex Programmable Logic Devices (CPLD) und Field Programmable Gate Arrays (FPGA).

Q: Wie werden PALs und GALs programmiert? A: PALs und GALs werden in der Regel mit Hilfe von Hardwarebeschreibungssprachen und JDEC-Kompilern programmiert. JDEC-Dateien enthalten die Sicherungsmatrix und die Steuerbits für die Ausgangslogik.

Q: Kann ich ein Programmiergerät für PALs und GALs selbst bauen? A: Ja, mit einem Arduino und entsprechender Software ist es möglich, ein eigenes Programmiergerät für PALs und GALs zu bauen. Schematik und Software sind auf Github verfügbar.

Q: Welche Vorteile bieten programmierbare Logikgeräte? A: Programmierbare Logikgeräte bieten Flexibilität, Kosteneffizienz und eine schnellere Markteinführung von Elektronikprodukten. Sie ermöglichen die Realisierung komplexer Schaltungen und die Integration mehrerer Funktionen in einem einzigen IC.