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Wenn sich Prozessor und FPGA ergänzen

Gesteigerte Flexibilität beim Rapid Prototyping

4. August 2011, 14:33 Uhr | Von Frank Mertens und Thomas Sander

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

FPGA übernimmt komplexe Datenvorverarbeitung

Erfordert eine Anwendung häufige, sehr schnelle I/O-Zugriffe und eine komplexe Datenvorverarbeitung oder -analyse – z.B. eine Hoch- oder Tiefpassfilterung oder eine Fast-Fourier-Transformation von Messwerten –, ist es sinnvoll, dass vorgelagerte FPGAs diese Aufgabe übernehmen. Dadurch können die Belastung des Prozessors gesenkt und wertvolle Rechenkapazität für die eigentliche Reglerberechnung freigesetzt werden. Dabei erlauben FPGAs, sowohl die Signalvorverarbeitung verschiedener I/O-Kanäle als auch einzelne Funktionen zu parallelisieren und völlig unabhängig voneinander auszuführen. So können die Berechnung beschleunigt und ein deterministisches Zeitverhalten erreicht werden. Zudem lässt sich die Anzahl der I/O-Kanäle skalieren, ohne eine Beeinflussung der Latenzzeiten befürchten zu müssen. Die gleichen Eigenschaften prädestinieren FPGAs auch für den Entwurf schneller, kaskadierter Regler, wobei der unterlagerte Regleranteil auf dem FPGA implementiert wird und dort problemlos Zykluszeiten von 10 µs bzw. Abtastfrequenzen von 100 kHz erreicht werden können.

Wenngleich RCP-Systeme eine Vielzahl unterschiedlicher I/O-Funktionen unterstützen, kann es dennoch vorkommen, dass eine für eine Anwendung notwendige, spezifische Schnittstelle nicht verfügbar ist. Dies kann verschiedene Gründe haben, beispielsweise, dass die Schnittstellenspezifikation nicht öffentlich verfügbar oder der Bedarf zum Zeitpunkt der Beschaffung des RCP-Systems noch nicht bekannt ist. Wünschenswert ist daher die Möglichkeit, jederzeit I/O-Funktionen nachrüsten oder verändern zu können. Die dazu nötige Flexibilität bieten FPGAs, auf denen sich fast beliebige digitale Schaltungen implementieren und im Gegensatz zu festverdrahteten Schnittstellenbausteinen (z.B. ASICs) jederzeit ändern lassen. So kann der Anwender beispielsweise nach Bedarf verschiedene serielle Protokolle für die Anbindung von Sensoren unterschiedlicher Hersteller implementieren.