Best Practices bei der FPGA-Entwicklung

Ineinander greifende ­Fertigungsabläufe

20. Dezember 2017, 14:13 Uhr | Alfred Goldbacher

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Entwicklung eines komplexen ­FPGA-Designs

„Mit einem individuellen FPGA-Design lässt sich ein Controller mit sehr spezifischen Leistungsmerkmalen realisieren“, erläutert Magnus Asplund, Geschäftsführer bei af inventions aus Braunschweig.
Bild 1. »Mit einem individuellen FPGA-Design lässt sich ein Controller mit sehr spezifischen Leistungsmerkmalen realisieren«, erläutert Magnus Asplund, Geschäftsführer bei af inventions aus Braunschweig.
© af inventions

Ziel war die Entwicklung eines anspruchsvollen Kommunikationssystems mit vielen Knoten. Außerdem sollte kein Standard-Controller zum Einsatz kommen, sondern ein Chip mit einem kundenspezifischen Kommunikationsprotokoll. Die Beweggründe dafür schildert Magnus Asplund (Bild 1), Geschäftsführer bei af inventions aus Braunschweig: »Mit einem individuellen FPGA-Design lässt sich ein Controller mit sehr spezifischen Leistungsmerkmalen realisieren. Im konkreten Fall geht es vor allem darum, bei der Übertragungsbandbreite auch die letzten Reserven der Übertragungshardware zu mobilisieren.«

In das erwähnte Projekt wurde die Firma af inventions unter anderem deswegen eingebunden, weil sich das Unternehmen schwerpunktmäßig mit der Entwicklung von FPGA-IP-Cores und eingebetteten Systemen (Embedded Systems) befasst. »Die FPGA-Entwicklung, das Hardware-Design oder die Programmierung mit der Hardware-Beschreibungssprache VHDL sind immer noch anspruchsvolle Entwickler­nischen. Der Anwendungsbereich von FPGAs hat durch Themen wie Internet of Things (IoT) oder smarten autonomen Systemen allerdings erheblich an Bedeutung gewonnen. Wir unterstützen Kunden aus der Prozessindustrie aber auch bei Themen wie Explosionsschutz nach DIN EN 60079-0, wo es um sehr spezielle Anforderungen in deutschen und internationalen Normen geht«, so der Geschäftsführer.

Er verweist außerdem auf einen Trend bei der FPGA-Entwicklung: Dadurch, dass Prozessoren bereits in die FPGAs integriert werden, kann die direkte Anbindung des Prozessors für eine sehr schnelle Datenverarbeitung und für schnelle Anwendungen genutzt werden. Der Auftraggeber wollte zudem den Vorteil nutzen, dass FPGAs in der Beschaffung relativ günstig sind. So sollten sehr leistungsfähige und dennoch günstige Kommunikationsknoten entwickelt werden.

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FPGA-Firmware unterstützt Lang­lebigkeit des Produkts

Die Entwickler mussten die komplexe Signalverarbeitung mathematisch-technisch in einen fehlerfreien FPGA-Code umzusetzen.
Bild 2. Die Entwickler mussten die komplexe Signalverarbeitung mathematisch-technisch in einen fehlerfreien FPGA-Code umzusetzen.
© af inventions

Der Projekteinstieg gelang mit einer ersten Machbarkeitsstudie. In dem besagten Proof of Concept konnte zum einen die technologische Umsetzung nachgewiesen und zum anderem mit Hilfe einer ersten Komponenten-Stückliste wertvolle Kostenabschätzungen vorgelegt werden.

Bei der Umsetzung wurde schnell klar, dass mehrere herausfordernde Aufgaben zu lösen waren: So sollten die Knoten bei Funkstörungen in der Lage sein, das Modulationsverfahren im laufenden Betrieb komplett zu ändern. Die am Markt vorhandenen Chips jedoch konnten diese Anforderung nicht erfüllen, und so musste ein eigenes Protokoll entwickelt werden.

Die Entwickler verfügten zwar über die notwendigen Kenntnisse der Modulations- und Übertragungstechnik. Hier ging es allerdings darum, die komplexe Signalverarbeitung mathematisch-technisch in einen fehlerfreien FPGA-Code umzusetzen (Bild 2). Außerdem stellte sich die Frage, ob bei der FPGA-Firmware auch fertige herstellerspezifische Blöcke genutzt werden sollten.

Das würde zwar Entwicklungsaufwand sparen, allerdings einen späteren Umstieg auf einen anderen Hardware-Baustein ausschließen. »Wir haben deshalb einen portierbaren Code entwickelt. Das ermöglicht später ein leichteres Redesign und sichert die Langlebigkeit des Produkts«, fasst Magnus Asplund seine Überlegungen bei der Firmware-Entwicklung zusammen. Bei der Hardware-Entwicklung mussten zudem noch anspruchsvolle EMV-Anforderungen und raue Umweltbedingungen berücksichtigt werden.


  1. Ineinander greifende ­Fertigungsabläufe
  2. Entwicklung eines komplexen ­FPGA-Designs
  3. Problematische Bauteilbeschaffung bei Prototypen
  4. Anforderungen der Serienfertigung an das FPGA-Design
  5. Softwaregestützte Design-Evaluierung

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