Man förvånas av att tekniker ibland tycks vara så oerhört traditionsbundna. För om det inte vore fallet skulle betydligt fler konstruktörer använda fältprogrammerbara kretsar istället för mikroprocessorer eller digitala signalprocessorer redan idag.

- Minst hälften av alla mikroprocessorer och DSPer skulle kunna ersättas med FPGAer om bara konstruktörerna hade rätt kompetens. Och resultatet skulle bli bättre på en rad punkter, säger Lennart Lindh, biträdande professor vid Mälardalens Högskola.

Roten till hans resonemang är att FPGAer jobbar sant parallellt, precis som problemen uppstår i naturen, medan en DSP eller mikroprocessor är sekventiell. Att stuva om ett parallellt förlopp så att det blir sekventiellt är ett stort jobb, speciellt som många funktioner är invävda i varandra. Man måste sätta prioritet, bestämma vad som skall göras först, vad man skall avbryta om något händer och så vidare.

- I ett processorbaserat system är det ofantligt svårt med analys av tidsbeteendet, säger Lennart Lindh.

En bättre lösning är därför att bena upp de - ofta många - delar som är oberoende av varandra och försöka behålla det parallella tänkandet.

ABB tänker alltid På FPGA först

ABB i Västerås är ett banbrytande företag i sammanhanget. Där används numera FPGA-kretsar regelmässigt i styrsammanhang. Upprinnelsen till nytänkandet inom ABB är ett projekt, kallat "Ersätta µp med FPGA", som Stefan Sjöholm, asicstrateg på ABB Automation Products, genomfört tillsammans med företaget Realfast och en forskningsgrupp på Mälardalens Högskola, ledd av Lennart Lindh.

Inom ramen för projektet studerade man tre nya kretskort och tre kretskortsrenoveringar. Slutresultatet blev att fem av korten bestyckades med en enda FPGA, trots att man från början tänkt sig att använda processorer på alla sex kort. Samtidigt erhöll FPGA-lösningen en mängd förbättringar jämfört med om processorer skulle ha använts.

- Jag anser att man kan ta bort processorn då kretskortet även innehåller en asic, FPGA eller PLD. En FPGA passar dessutom bättre i nästan alla tillämpningar där man använder en 8- eller 16-bitars arkitektur, säger Stefan Sjöholm.

Vad är det då som gör att så få ännu tagit del av FPGA-kretsarnas storhet? Jo, bromsklossen har länge varit kretsarnas ringa storlek och höga pris. Men det argumentet håller inte längre. De flesta tillämpningar kan klara sig på kretsar som har mellan 20 000 och 100 000 grindar.

Ett dilemma är också att många DSP-användare idag är rena C-programmerare. För dem är det visserligen förbluffande enkelt att lära sig VHDL-syntaxen, men det räcker inte. De måste också lära sig grunderna i digitalkonstruktion innan konstruerandet kan börja.

Till det hör att det finns ett väldigt stort utbud av verktyg, exempelvis kompilatorer och emulatorer, till mikroprocessorer och DSPer. Det finns dessutom en mängd färdigskrivna programsnuttar skapade för reglertekniska problem att få.

- Av Texas Instruments kan man exempelvis få massor av hjälp om hur man skall styra motorer med DSPer, säger Jonas Hemming på företaget Unjo (se artikel intill).

- Vi är tvingade att skapa våra egna hjälpmedel och det är en hög tröskel att komma över innan man har tillräcklig kunskap.

Samtidigt finns det strukturer som är tacksamma att lösa i processorarkitekturer, exempelvis kommandostrukturer. Tidigare har rena FPGA-användare tvingats lösa detta genom att skriva en egen processor i VHDL-kod eller använda färdiga IP-block från tredjepartsleverantörer. Men på senare tid har även FPGA-tillverkarna börjat jobba för att kunna erbjuda processorkärnor, både mjuka och hårda, till sina kretsar.

Inbyggd processor första steget

I somras släppte exempelvis Altera en egenutvecklad mjuk processorkärna, Nios, för sin Apex-familj. Företaget lovar dock att kärnan inom kort även skall kunna stoppas in i Flex10KE- och Acex-familjen, där den senare är en FPGA-familj som riktar sig mot högvolymstillämpningar och som har mellan 10 000 och 100 000 grindar.

- Tanken är att den här lösningen skall göra att man byter ut sina styrkretsar mot FPGAer framöver, säger Göran Westerlund på Altera i Sverige.

För mer beräkningsintensiva tilllämpningar kommer både Altera och Xilinx med inbyggda, hårda, processorkärnor. Tanken är god, även om vissa kritiker tycker att konstruktörerna själva borde kunna tänka efter vilka algoritmer som behövs för att sedan konstruera kärnorna i hårdvara.

- Jag tycker idén är ganska bra. Inbyggda processorer kan vara ett första steg för företag att vakna upp innan de ser att man kan ersätta processorn helt och hållet, säger Stefan Sjöholm.

- Ofta är det kraftfulla processorer som kommer som hårda block och de är svåra att göra själv.

Kurser för konstruktörer

Ett annat nytt intressant grepp står Xilinx för. Företaget har i samarbete med Mathworks utvecklat ett verktyg som gör att man direkt kan överföra uppgifter som är specificerade i Matlab till Xilinx verktyg som tillverkar makron för FPGA-kretar. Därmed blir det mycket lätt att överföra DSP-funktionalitet till FPGAer.

En rad intelligenta hjälpmedel kan vara ett sätt att få bukt med konstruktörernas traditionsbundna tankesätt. Men det hjälper inte snabba C-programmerare att ta klivet över till hårdvarukonstruktörer. Istället kan en kurs som fokuserar på grundprinciperna bakom hårdvarukonstruktion i högnivåspråk vara en dellösning.

Realfast Education och Hardi Electronics är två företag som har ett brett spektrum av kurser i just VHDL- och FPGA-konstruktion. Realfast Education lär bland annat ut metoder som går ut på att man skall lära sig att implementera DSP-funktioner i FPGAer. Hardi har framför allt gedigen grundutbildning i VHDL, men också vidareutbildning.

- Vi har precis startat en mycket avancerad VHDL-kurs. Den lär ut hur man konstruera med VHDL i stora projekt och för att få vara med måste man kunna VHDL mycket bra, säger Lars-Eric Lundgren, vd på Hardi Electronics.


www.fpgacpu.org