FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) erbjuder en kraftfull lösning för att genomföra algoritmer med en hastighet som närmar sig den för transistorer, ofta i nanosekunder. Detta står i stark kontrast till den traditionella processorns körhastighet, som oftast sträcker sig till mikrosekunder eller bråkdelar av dessa. I ett inbäddat system kan en FPGA samarbeta med en traditionell processor för att skapa en effektiv lösning. Processorn kan exempelvis användas för att samla in data från externa enheter som sensorer eller nätverksanslutningar och skicka dessa data till FPGA:n. FPGA:n kan sedan utföra de beräkningar som krävs för att producera ett resultat utan att processen behöver involvera processorn ytterligare, vilket gör det möjligt att uppnå enormt mycket högre hastigheter.

En intressant förlängning av denna idé är användningen av in-circuit programmerbara FPGA:er. Dessa FPGA:er gör det möjligt för programvaran på systemets processor att ladda olika filer till FPGA:n, vilket i sin tur ändrar vilka funktioner FPGA:n beräknar. På så sätt kan en enda FPGA implementera flera delar av ett inbäddat system, förutsatt att dessa delar inte behöver köras samtidigt. Detta erbjuder stor flexibilitet, men det innebär också en trade-off, där man måste beakta både den fysiska platsen på kretskortet samt kostnaden för FPGA:n, eftersom den är en extra komponent i systemet.

En annan aspekt att beakta är att FPGA:n förbrukar ström, även om detta ska jämföras med den strömförbrukning som en processor skulle kräva för att utföra samma beräkningar. Om det är möjligt att använda en processor med lägre prestanda för att hantera de övriga uppgifterna i systemet kan detta resultera i en kostnadsbesparing. För en djupare förståelse av dessa processer och för att implementera mer komplexa lösningar, kan intresserade hänvisas till fler detaljerade texter och forskningsartiklar inom området.

Low-end FPGA:er och CPLD:er i inbäddade system

Lägre kapacitets-FPGAs och CPLD:er (Complex Programmable Logic Devices) används ofta för att implementera Boolesk logik på kretskortsnivå. Ett vanligt användningsområde är att generera chip-select-signaler från processoradresser, vilket kan vara nödvändigt för att sammanlänka flera komponenter på ett kretskort. Ett typiskt exempel är användningen av dessa enheter för att generera signaler för att styra extern minnesåtkomst. Om vi exempelvis har en processor som 8051 och en uppsättning externa minnen, skulle en CPLD kunna användas för att skapa en logik som avgör vilket minne som ska vara aktivt under en given dataoperation, baserat på processoradressens specifika bitmönster.

I denna typ av applikationer kan en 22v10 CPLD användas för att implementera logik som skapar "negative true" chip-select-signaler. Dessa signaler måste vara låga för att aktivera den valda enheten. Genom att använda CPLD:n kan dessa signaler implementeras med hjälp av enklare logiska uttryck snarare än traditionella logikkretsar som skulle kräva flera AND- och NOT-gate-konfigurationer.

Ett exempel på detta skulle vara ett system där en processor som 8051 behöver komma åt flera externa minnen, som två RAM-chips och en EEPROM, genom att använda ett gemensamt adressutrymme. Genom att använda bitarna från processoradressen kan CPLD:n definiera vilka enheter som ska vara aktiva vid ett givet tillfälle, vilket förenklar systemets uppbyggnad och minskar behovet av komplexare kretsar.

I en annan situation kan CPLD:er användas för att implementera logik som skyddar vissa delar av minnet från att skrivas över, till exempel när säkerhetskod eller annan permanent data finns i en specifik del av minnet. Genom att använda en CPLD för att definiera när skrivoperationer får utföras, kan systemet skydda dessa data samtidigt som det ger flexibilitet för andra delar av minnet att förändras.

Effektiv användning av sekventiell logik

En viktig funktion som vissa CPLD:er, som 22v10, erbjuder är förmågan att hantera sekventiell logik. Det innebär att logiken kan styras av en klocksignal, vilket gör att systemet kan ha "minne" för tidigare värden, beroende på om klocksignalen är hög eller låg. Detta tillåter skapandet av mer dynamiska system där logiska funktioner inte bara beror på nuvarande ingångar, utan även på tidigare tillstånd.

Sekventiell logik är särskilt användbar när man behöver implementera funktioner som kräver att värden bevaras över tid eller när feedbackloopar är nödvändiga. Genom att använda CPLD:er för dessa syften kan man skapa både komplexa och flexibla system utan att behöva använda större och mer strömtungt processorer.

Sammanfattning

Användningen av FPGA:er och CPLD:er i inbäddade system erbjuder betydande fördelar när det gäller hastighet och flexibilitet. Med FPGA:er kan algoritmer genomföras på en nivå som är mycket snabbare än traditionella processorer, vilket gör det möjligt att optimera systemets prestanda. CPLD:er, å andra sidan, erbjuder en effektiv lösning för att implementera logiska funktioner på kretskortsnivå och kan även användas för att prototypa mer komplexa ASIC-lösningar. Förståelsen av dessa teknologier ger systemutvecklare möjligheten att skapa mer effektiva och kostnadseffektiva lösningar för olika inbäddade system.

Hur ADC:er fungerar och deras tillämpningar i inbyggda system

Analog-till-digital omvandlare (ADC) är centrala komponenter i moderna inbyggda system, där de möjliggör konvertering av analoga signaler till digitala format som kan bearbetas av digitala enheter som mikroprocessorer. Beroende på tillämpningen och de specifika krav på hastighet och precision som systemet har, används olika typer av ADC-teknik. De mest populära metoderna är flash-ADC och successive approximation-ADC (SAR-ADC). Båda har sina fördelar och begränsningar, och förståelsen av dessa är avgörande för att kunna välja rätt teknik för ett givet system.

Flash-ADC är känd för sin höga hastighet. Tekniken fungerar genom att jämföra den inkommande signalen parallellt mot en uppsättning referensspänningar, vilket gör att den snabbt kan omvandla en analog signal till en digital representation. Antalet nödvändiga jämförare och resistorer växer exponentiellt med antalet bitar av upplösning, vilket gör att denna teknik är mer användbar vid lägre upplösningar. Dessutom innebär den stora mängden elektroniska komponenter en högre kostnad och högre energiförbrukning. Därför är flash-ADC vanligast i tillämpningar där snabb konvertering är viktigare än upplösning, som i vissa typer av oscilloskop eller snabba mätinstrument.

Å andra sidan erbjuder SAR-ADC en mer kostnadseffektiv lösning. I denna metod används en enda komparator som iterativt delar upp intervallet av möjliga värden för att gradvis bygga upp den digitala representationen. För varje iteration, baserat på jämförelsen med mitten av intervallet, bestäms en ny bit för resultatet. Fördelen med SAR-ADC är att den kräver mycket mindre hårdvara än flash-ADC, vilket gör den både billigare och mer energieffektiv. Nackdelen är att den är långsammare, och konverteringstiden ökar med högre upplösning.

Det finns även andra omvandlingstekniker som används i mer specifika tillämpningar. Integrerande ADC:er, till exempel, är mycket energieffektiva och kostnadseffektiva, men har begränsade samplingshastigheter, vilket gör dem mindre användbara för högre frekvenser. Delta-sigma ADC:er erbjuder hög upplösning men är också begränsade till lägre samplingshastigheter, vilket gör dem användbara i tillämpningar som kräver mycket noggrann mätning, men där snabbhet inte är avgörande.

En annan viktig funktion i många ADC-kretsar är "track-and-hold", som låser den analoga signalen vid en viss tidpunkt för att förhindra att förändringar i signalen under konverteringsprocessen påverkar resultatet. Detta är särskilt viktigt i system där den analoga signalen är instabil eller varierar snabbt. I dessa system säkerställer "track-and-hold" att omvandlingen sker korrekt utan att störas av externa faktorer.

Många inbyggda system kräver också att ADC:er kan hantera flera ingångskanaler. Detta innebär att systemet måste kunna styra vilken kanal som ska omvandlas vid en given tidpunkt. Detta kan göras genom en serie kommandon från processorn, som indikerar vilken kanal som ska aktiveras. Ofta behövs mellanliggande kretsar som reläer eller transistorer för att isolera processorn från de externa belastningarna och för att hantera de elektriska krav som varje specifik enhet kan ha.

För att hantera analoga utgångar används ofta digital-till-analog omvandlare (DAC). Dessa omvandlar digitala signaler tillbaka till analog form och används för att kontrollera olika typer av utrustning, såsom motorer, belysning eller elektromagneter. En DACs upplösning bestämmer antalet distinkta spänningsnivåer som den kan producera. Ju högre upplösning, desto finare blir justeringarna, vilket är särskilt viktigt i tillämpningar som ljud eller bildbehandling, där detaljerad kontroll av spänningen krävs. Däremot, precis som med ADC:er, kan DAC:er med lägre upplösning ge mindre exakta steg mellan spänningsnivåerna, vilket kan vara tillräckligt i vissa tillämpningar, men inte i andra.

När det gäller hastighet och upplösning är det viktigt att förstå den praktiska innebörden av dessa egenskaper. Till exempel, i ljudsystem krävs ofta en hög upplösning för att producera detaljerat ljud, medan för enklare tillämpningar som att styra belysning eller motorhastighet kan en lägre upplösning vara tillräcklig. Samma sak gäller för samplingshastigheten; för video eller ljud behöver systemet en hög samplingshastighet för att kunna fånga förändringar i signalen snabbt nog att producera ett kontinuerligt flöde av data.

Endtext

Hur hanteras utmaningarna inom trådlös konsensus?
Hur påverkar valutakurser och inflation de ekonomiska modellerna för solenergisystem i Iran?
Hur modelleras värme- och massöverföring samt anti-isning på flygplansvingar?
Hur kan förnyelse förbättra systemtillförlitlighet och minska riskerna för systemfel?
Hur påverkar politisk ideologi och rasrelationer stadsutvecklingen i Detroit?