CPLD

Ein CPLD ist ein Halbleiterbauelement, das sich in Komplexität und Dichte zwischen Logikschaltkreisen mit fester Funktion und vollständigen feldprogrammierbaren Gate Arrays (FPGAs) einordnet. Es enthält Dutzende bis einige hundert konfigurierbare Logikblöcke, von denen jeder Boolesche Operationen ausführen kann, sowie eine programmierbare Verbindungsmatrix, die Signale zwischen ihnen leitet. Das gesamte Bauelement lässt sich im Feld ohne Auslöten rekonfigurieren, was es für die Prototypenfertigung und für die Bewältigung von Designänderungen in Produktionsgeräten nützlich macht, wo Ausfallzeiten teuer sind.

Anders als ein Mikrocontroller führt ein CPLD Logikoperationen parallel über das gesamte Array aus, nicht sequenziell durch Befehle. Ein typischer CPLD kann 32 bis 256 Makrozellen enthalten, von denen jede eine Lookup-Tabelle (LUT) und einen Flip-Flop für registrierten Ausgang speichert. Häufige Familien sind die Xilinx CoolRunner und die Altera MAX V Serie. Die Konfiguration wird in Festwertspeicher gespeichert, sodass das Bauelement die gleiche Logik unmittelbar nach dem Einschalten ohne externe Boot-Sequenz implementiert.

CPLDs unterscheiden sich von FPGAs in Timing-Vorhersagbarkeit und Ressourceneffizienz. Da das Routing-Netz eines CPLD vorgegeben und einfacher ist, sind die Ausbreitungsverzögerungen zwischen Logikblöcken fest und kurz, typischerweise im Bereich von 5 bis 15 Nanosekunden. Diese Determinismus ist wichtig bei Echtzeitregelung: ein Fördersortierer oder Motorantrieb braucht garantierte Reaktionszeiten, keine statistischen Durchschnittswerte. Ein FPGA bietet höhere Dichte, aber weniger vorhersagbares Timing und höheren Ruhestromverbrauch.

Die Programmierung erfolgt mit Hardware-Beschreibungssprachen wie VHDL oder Verilog, kompiliert zu Konfigurationsbitströmen. Diese werden über JTAG-Anschlüsse (Joint Test Action Group), eine standardisierte vierdrahtige Schnittstelle an fast allen Industriegeräten, in das Bauelement geladen. Nach der Programmierung benötigt der CPLD kein externes Speicher- oder Prozessorsystem, um seinen Logikzustand zu bewahren.

Häufige Ausfallarten sind Konfigurationsverlust durch elektrisches Rauschen (vermieden durch Serienwiderstände und Entkopplungskondensatoren an den Stromversorgungspins) und Datenverlust in der Festwertspeicherung, wenn die Speicherzellen altern, was selten ist, aber in rauen chemischen oder Strahlungsumgebungen wahrscheinlicher wird. CPLDs werden in Fertigungsgeräten bevorzugt, bei denen Logikänderungen schnell und häufig erfolgen müssen, der Dichtebedarf aber bescheiden ist: Sensorphnittstellen, Schrittmotorregler, Protokollwandler und Sicherheitsverriegelungen nutzen sie umfangreich.