Rechnergestützter Entwurf digitaler Schaltungen - Schaltungssynthese mit VHDL

1 Schaltungsentwurf mit Hardwarebeschreibungssprachen (S. 11-12)

1.1 Vom Schaltplan zur Schaltungssynthese

Digitaltechnik ist zum Schlagwort geworden. Wir leben im digitalen Zeitalter. Die Natur ist kontinuierlich. Wir digitalisieren ihre Erscheinungen. Für vieles besitzen wir Rechenmodelle mit Zahlen aus den binären Werten ,0‘ und ,1‘. Nicht nur der PC führt digitale Operationen aus. Digital-Chips sind in Maschinen, Fahrzeugen, Haushaltsgeräten, im Handy, in der Chipkarte, .... Die Anfänge der Digitaltechnik sind viel älter als die Elektronik. Als erste digitale Maschinen können wir die kleinen und großen mechanischen Apparate mit komplizierten Getrieben für die Abarbeitung der dezimalen Rechenoperationen aus den zurückliegenden Jahrhunderten ansehen.

Bereits im 17. Jahrhundert baute Wilhelm Schickard eine mechanische Rechenmaschine für die vier Grundrechenarten. Nach der Einführung der elektromechanischen Relais in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts konnten bereits anspruchsvolle Steuerungen entwickelt werden. Bild 1.1 zeigt an einem Beispiel, dass mit zwei Typen von Relais logische Verknüpfungen von binären Signalen ausgeführt werden können.

(Bild 1.1 Schaltplan einer Relais-Schaltung - Nicht in der Leseprobe enthalten)

Dabei entspricht eine Reihenschaltung von Kontakten einer UND-Verknüpfung.
Parallele Kontakte bilden eine ODER-Schaltung. Die erste programmgesteuerte Rechenmaschine von Konrad Zuse aus dem Jahr 1941 enthielt ca. 2000 elektromechanische Relais. Aus dieser Zeit stammen Theorien und Terminologien, die wir noch heute benutzen, wie Schaltplan, Schaltalgebra und Automatentheorie. Auch die Elektronenröhre ist für eine kurze Zeit in digitalen Systemen eingesetzt worden. Das spektakulärste Beispiel ist der Computer ENIAC mit 20 000 Elektronenröhren aus dem Jahr 1946. Aus heutiger Sicht hat erst die Entwicklung der Transistortechnik die Digitaltechnik eingeleitet. Die integrierten mikroelektronischen TTL-Schaltungen waren ab Anfang der 60er Jahre mit einem wachsenden Bausteinsortiment für digitale Grundoperationen verfügbar.

10 Jahre später brachte die MOS-Technik eine wesentliche Steigerung des Integrationsgrades. Eine der ersten Anwendungen der neuen Technik waren Taschenrechnerschaltkreise, die als Low-cost-Geräte die Dezimaloperationen ihrer mechanischen Vorfahren ausführen konnten. Es folgten hoch- und höchstintegrierte Schaltungen für Mikroprozessoren, Speicher, Schnittstellen-Controller und applikationsspezifische Schaltungen. Heute werden Mikroprozessoren in Milliardenstückzahlen produziert. Davon geht nur ein kleiner Anteil in die PCs. Die Hauptanwendungen liegen in den kaum sichtbaren „Embedded Systemen".

Für eine lange Zeit konnten spezielle Hardwarelösungen in großem Maße durch die Softwareentwicklung für universelle Mikroprozessorsteuerungen ersetzt werden. Damit beschränkte sich der Chip- und Hardware-Entwurf auf relativ wenige Spezialisten. Auch in der Hochschulausbildung wurde der Schwerpunkt auf die Software gelegt. Inzwischen ist der Stellenwert der Hardware-Entwicklung wieder gewachsen. Durch die Verfügbarkeit programmierbarer Bauelemente werden Applikationsschaltungen verstärkt beim Anwender entwickelt. Die Anfänge der programmierbaren Bausteine (programmable logic device, PLD) gehen auf die 80er Jahre zurück.

Sie enthalten programmierbare Macrozellen, die zu anwenderspezifischen Schaltungen zusammengefügt werden. Mit einem ein- fachen PLD-Baustein können die Funktionen von mehreren Standardbausteinen zusammengefasst werden. Heute sind hochintegrierte komplexe PLDs (CPLDs) mit Hunderten von Macrozellen verfügbar. Ein weiteres Architekturprinzip verwendet Felder programmierbarer Macrozellen und programmierbare Leitungssegmente in Form von beim Anwender programmierbaren Gatearrays (field programmable gate arrays, FPGAs). Damit stehen programmierbare Bausteine mit Hardware-Ressourcen im Bereich von Millionen Gatterfunktionen zur Verfügung.