Was ist ein FPGA-Blockschaltbild

Ein Field-Programmable Gate Array (FPGA) ist ein rekonfigurierbarer Hardware-Chip, der für Multitasking ausgelegt ist. Seine Programmierung kann entsprechend den Anforderungen der Anwender aktualisiert und neu konfiguriert werden, sodass er eine Vielzahl von Aufgaben effizient ausführen kann.

In diesem Leitfaden erfahren Sie:

• Was ein FPGA ist
• Wie es funktioniert
• Wie Sie ein Blockschaltbild für ein FPGA zeichnen
• Welche Anwendungsgebiete ein FPGA hat

Am Ende werden Sie verstehen, wie FPGAs so konfiguriert werden können, dass sie unterschiedliche Aufgaben ausführen, ohne die zugrunde liegende Hardware eines einzelnen Chips zu verändern. Außerdem lernen Sie, wie Sie ein FPGA-Blockschaltbild erstellen, das Ihnen wertvolle Einblicke in den inneren Aufbau eines FPGAs gibt und Ihr Verständnis seiner Funktionsweise vertieft.

FPGA-Blockschaltbild und Funktionsprinzip

Ein FPGA-Blockschaltbild zeigt die wichtigsten Komponenten eines Systems und ist eines der besten Werkzeuge, um dessen Funktionsweise zu verstehen. Gleichzeitig dient es Forschenden und Entwicklern als Grundlage, um zukünftige Geräte zu verbessern. Werfen wir einen Blick auf das Blockschaltbild eines FPGAs.

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FPGA-Blockschaltbild

Hier sind einige der wichtigsten Komponenten, die in einem FPGA verwendet werden.

• Head-Controller: Er fungiert als zentrale Steuereinheit in einem FPGA. Die Aufgabe des Head-Controllers besteht darin, die Ein- und Ausgänge zu verwalten und einen zuverlässigen Datenkanal zwischen den Subsystemen im FPGA bereitzustellen.
• Speichercontroller: Der Speichercontroller im FPGA ist mit den externen Speichermedien wie RAM/ROM oder Festplatten verbunden. Er steuert den Datenaustausch zwischen den externen und internen Speicherbereichen im FPGA.
• CMOS-Controller: Über den CMOS-Controller werden analoge Signale geprüft und in digitale Signale umgewandelt. Er verwaltet die Schnittstelle zwischen Sensor und FPGA. Diese Sensoren sind für die Bilderzeugung und die Steuerung aller sensorbasierten Systeme über den CMOS-Controller verantwortlich.
• PCA-Algorithmus: Dabei handelt es sich nicht um eine Hardwarekomponente, sondern um einen Algorithmus, der auf dem FPGA für bestimmte Aufgaben implementiert wird. Er wird vor allem in der Bildverarbeitung und in Systemen zur Datenreduktion eingesetzt. Der Algorithmus führt innerhalb von Millisekunden Hunderte von Matrixberechnungen aus, um aussagekräftige Echtzeitdaten zu liefern.

Sehen wir uns nun an, wie das FPGA als Gesamtsystem arbeitet.

Der Head-Controller initialisiert den gesamten Ablauf, indem er die Daten von den an das FPGA angeschlossenen externen Speichern sammelt. Die Eingaben werden über diese angebundenen Speicherchips bereitgestellt.

Der CMOS-Controller sendet Signale an das System und ist für die Digitalisierung dieser Signale verantwortlich.

Anschließend werden die Daten über den Kommunikationscontroller übertragen und verarbeitet. Der PCA-Algorithmus nutzt Logikblöcke, um diese Daten in die gewünschte Form zu bringen. Er ist entscheidend für die Merkmalsextraktion und Dimensionsreduktion im System.

Anwendungsgebiete von FPGAs

Ein FPGA (Field-Programmable Gate Array) ist ein vielseitiges und frei programmierbares Halbleiterbauteil, mit dem Entwickler die Hardware exakt an ihre Anforderungen anpassen können.

Im Gegensatz zu ASICs, die als fest verdrahtete Schaltkreise nur eine Funktion ausführen, lassen sich FPGAs immer wieder neu konfigurieren und so für unterschiedliche Aufgaben einsetzen. Durch die Kombination aus hoher Leistung und Zuverlässigkeit sind sie in zahlreichen Anwendungen unverzichtbar.

Im Folgenden finden Sie einige der wichtigsten Einsatzbereiche von FPGAs.

Netzwerk- und Telekommunikationsbranche

FPGAs werden in Netzwerk- und Telekommunikationssystemen vor allem wegen ihrer leistungsstarken Signalverarbeitung eingesetzt. 3G-, 4G- und 5G-Technologien nutzen diese Bausteine für eine zuverlässige Datenübertragung, Protokollimplementierung und Paketverarbeitung. Hochgeschwindigkeits-Basisstationen und Netzwerkknoten setzen auf diese Technologie, um Daten schnell und stabil zu übertragen.

Radarsysteme

FPGAs werden in vielen Radarsystemen, Satellitenkommunikations- und Leitsystemen verwendet. Die schnelle Datenverarbeitung und hohe Zuverlässigkeit dieser Lösungen sind insbesondere im militärischen Umfeld von entscheidender Bedeutung.

Auch ADAS-Systeme (Advanced Driver/Defense Assistance Systems) nutzen FPGAs, um Flugbahnen oder Bewegungsprofile zu verfolgen und Piloten beziehungsweise Bediener beim Erfassen und Verfolgen von Zielen zu unterstützen.

Medizin und Gesundheitswesen

Dank ihrer geringen Latenz ermöglichen FPGAs im Gesundheitswesen das schnelle Analysieren von Scans und das frühzeitige Erkennen von Erkrankungen. Eine schnellere Bildverarbeitung und Echtzeitüberwachung helfen Ärztinnen und Ärzten, Diagnosen zu stellen und Operationen präziser durchzuführen.

Häufig kommen FPGAs in MRT-Scannern, CT-Geräten und tragbaren medizinischen Geräten wie EKG-/ECG-Systemen zum Einsatz.

Cloud-Computing

Rechenzentren nutzen FPGAs, um große Datenmengen in Echtzeit zu beschleunigen und zu verarbeiten. In KI- und Deep-Learning-Systemen helfen sie, Daten besonders schnell zu verarbeiten. Ihre Rekonfigurierbarkeit unterstützt Entwickler dabei, parallele Aufgaben wie Datenverschlüsselung, Kompression und CPU-Entlastung effizient zu bewältigen.

Wie Sie ein FPGA-Blockschaltbild erstellen

Blockschaltbilder werden häufig verwendet, um komplexe Modelle zu vereinfachen und verständlicher zu machen. Im Fall von FPGAs veranschaulicht ein Blockschaltbild die grundlegenden Funktionsprinzipien und dient Studierenden, Ingenieur:innen und Forschenden als wertvolle Referenz. Doch wie beginnt man mit der Erstellung solcher Diagramme? Der Schlüssel liegt in einem spezialisierten Tool mit umfangreichen Anpassungsmöglichkeiten.

EdrawMax, eines der führenden Diagrammtools, erleichtert das Erstellen detaillierter und präziser FPGA-Blockschaltbilder erheblich. Sehen wir uns einige der herausragenden Funktionen an.

• Benutzerfreundliche Oberfläche: EdrawMax bietet eine aufgeräumte, intuitive Oberfläche, mit der selbst Einsteiger sofort zurechtkommen. Sie profitieren von Drag-and-Drop, Bildintegration, flexiblen Textformaten und vielen weiteren Funktionen.
• Umfangreiche Symbolbibliothek: Die Symbolbibliothek von EdrawMax ist sehr groß und stellt alle Symbole, Elemente und Textstile bereit, die Sie für Ihr Blockschaltbild benötigen.
• Leistungsstarke Anpassungswerkzeuge: EdrawMax bietet zahlreiche Werkzeuge für Farbpaletten, Textformate und Designs Ihrer Blöcke. Mit Verbindungstools stellen Sie Beziehungen zwischen einzelnen Blöcken her.
• Vorlagenbibliothek: EdrawMax stellt für jede Kategorie passende Vorlagen bereit und hilft Ihnen so, Ihr eigenes Design schnell zu erstellen. Entspricht eine Vorlage genau Ihren Anforderungen, können Sie sie auch nahezu unverändert verwenden.
• Vielfältige Import- und Exportoptionen: EdrawMax unterstützt eine breite Zielgruppe, indem es Blockschaltbilder in verschiedenen Formaten importieren und exportieren kann. Sie können beispielsweise Visio-Dateien importieren und direkt weiterbearbeiten.

Sehen wir uns nun an, wie Sie mit EdrawMax auf verschiedenen Wegen ein FPGA-Blockschaltbild erstellen können.

methode 1: Ein FPGA-Blockschaltbild von Grund auf erstellen

Ein Design komplett von Grund auf zu entwickeln, kann zunächst einschüchternd wirken. Mit einem spezialisierten Tool wie EdrawMax wird der Prozess jedoch deutlich einfacher. Es stellt alle erforderlichen Symbole, Werkzeuge und Anpassungsoptionen zur Verfügung, um ein vollständiges, professionelles Blockschaltbild zu erstellen. Folgen Sie den Schritten unten, um Ihr Diagramm von Grund auf zu gestalten.

Schritt 1 EdrawMax öffnen und loslegen

• Öffnen Sie EdrawMax und klicken Sie auf der Startseite auf Neu, oder suchen Sie den Bereich Blockschaltbild, um die leere Zeichenfläche zu öffnen.
• Sobald die leere Zeichenfläche geöffnet ist, stehen Ihnen alle relevanten Elemente zur Verfügung.

Schritt 2 Symbole und Elemente auf die Zeichenfläche ziehen

• Öffnen Sie die Symbolbibliothek und suchen Sie nach den passenden Elementen für Ihr Design.
• Klicken Sie auf ein Element oder ziehen Sie es direkt auf die Zeichenfläche.

Schritt 3 Text für jeden Block hinzufügen

• Ordnen Sie die Elemente in der Reihenfolge an, in der Sie sie benötigen.
• Doppelklicken Sie auf einen Block, um den jeweiligen Text hinzuzufügen.

Schritt 4 Beziehungen/Verbindungen hinzufügen

• Verwenden Sie das Verbindungstool, um Beziehungen zwischen den Blöcken herzustellen.
• Wenn Sie Pfeile benötigen, können Sie in der Symbolbibliothek Pfeile in unterschiedlichen Formen auswählen.

Schritt 5 Ihr Blockschaltbild exportieren

• Nach Abschluss aller Bearbeitungen ist es Zeit, Ihr Blockschaltbild zu exportieren.
• Klicken Sie auf die Exportieren-Schaltfläche oder auf Datei in der linken oberen Ecke des Bildschirms und wählen Sie ein Format. Stellen Sie Ihre Einstellungen ein und klicken Sie auf Exportieren, um das Design zu speichern.

methode 2: Eine FPGA-Blockschaltbild-Vorlage verwenden

EdrawMax als führendes Diagrammtool stellt eine umfassende Vorlagenbibliothek bereit, mit der Sie besonders schnell starten können. Diese fertigen Vorlagen erfordern nur wenige Anpassungen, um ein individuelles Design zu erhalten – so sparen Sie Zeit und erzielen dennoch professionelle Ergebnisse. Folgen Sie der Schritt-für-Schritt-Anleitung, um im Handumdrehen überzeugende Diagramme zu erstellen.

Schritt 1 Vorlagenbibliothek öffnen

• Öffnen Sie die EdrawMax-Startseite und klicken Sie auf der linken Seite auf Vorlagen.
• Verwenden Sie die Suchleiste, um in der Bibliothek nach Blockschaltbild-Vorlagen zu suchen.

Schritt 2 Eine Vorlage auswählen und anklicken

• Suchen Sie nach der Vorlage, die Ihrem gewünschten Blockschaltbild am nächsten kommt.
• Klicken Sie auf die Vorlage, um sie auf die Zeichenfläche zu laden und mit der Bearbeitung zu beginnen.

Schritt 3 Vorlage bearbeiten

• Beginnen Sie mit der Bearbeitung der Vorlage auf der Zeichenfläche.
• Fügen Sie bei Bedarf Formen hinzu oder löschen Sie sie und verwenden Sie Ihren eigenen Text, um Ihre eigenen Blockschaltbilder zu erstellen.
• Sie können hier außerdem Farben und Designs für Ihr Blockschaltbild anpassen.

Schritt 4 Datei exportieren

• Nachdem Sie alle Bearbeitungen vorgenommen haben, exportieren Sie Ihr Design.
• Klicken Sie auf Datei und wählen Sie die Option Exportieren, oder verwenden Sie die Exportieren-Schaltfläche in der oberen Menüleiste und wählen Sie ein Format zum Speichern aus.

Fazit

Die Programmierbarkeit von FPGAs gibt Entwicklerinnen und Entwicklern die Flexibilität, sie für echtes Multitasking einzusetzen: Ein FPGA kann viele Prozesse parallel übernehmen und so die CPU deutlich entlasten.

Ein FPGA-Blockschaltbild veranschaulicht die grundlegenden Konzepte und Komponenten des Bausteins und macht seinen Aufbau sowie seine Arbeitsweise leicht nachvollziehbar. Solche Diagramme sind für Entwickler unverzichtbar, um zukünftige Anpassungen zu planen und die Performance zu optimieren.

Mit EdrawMax können Sie mühelos professionelle FPGA-Blockschaltbilder erstellen, komplexe Systeme klar darstellen und sie Ihrem Publikum verständlich vermitteln.