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公開：2024-05-03

CPLD(Complex Programmable Logic Device)とは？意味をわかりやすく簡単に解説

text: XEXEQ編集部

CPLD(Complex Programmable Logic Device)とは

CPLDはComplex Programmable Logic Deviceの略称で、プログラマブルロジックデバイスの一種です。CPLDはAND-OR論理回路をベースに構成されており、プログラムによって内部の論理回路を柔軟に変更することができます。

CPLDは複数のマクロセルと呼ばれる論理ブロックを内蔵しています。各マクロセルには複数の論理ゲートや flip-flopなどが含まれており、これらを組み合わせることで様々な論理回路を実現できます。

CPLDはFPGAと比較して論理規模が小さく、低価格であるという特徴があります。また、CPLDは設計の変更が容易で、開発期間の短縮が可能です。

CPLDは産業機器や通信機器、家電製品など、幅広い分野で使用されています。特に、高速性や低消費電力が要求される用途に適しています。

CPLDのプログラミングにはHDL(Hardware Description Language)と呼ばれる専用の言語が使用されます。代表的なHDLとしてはVerilog HDLやVHDLなどがあります。

CPLDの内部アーキテクチャと動作原理

CPLDの内部アーキテクチャと動作原理に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

• CPLDの内部構造とマクロセルの役割
• CPLDにおける論理合成と配置配線
• CPLDの動作速度とタイミング制御

CPLDの内部構造とマクロセルの役割

CPLDの内部は複数のマクロセルと呼ばれる論理ブロックで構成されています。各マクロセルにはAND-OR論理回路や flip-flopなどの基本的な論理素子が含まれており、これらを組み合わせることで様々な論理回路を実現できます。

マクロセルはCPLDの中核となる部分で、論理回路の構成要素として機能します。マクロセル内の論理素子はプログラムによって自由に組み合わせることができ、目的に応じた論理回路を柔軟に構築できます。

また、マクロセル間はスイッチマトリクスと呼ばれる配線網で接続されています。スイッチマトリクスはマクロセル間の信号の流れを制御し、論理回路全体の動作を司ります。

CPLDにおける論理合成と配置配線

CPLDを使用する際は目的の論理回路をHDLで記述し、論理合成ツールを用いて最適化します。論理合成ではHDLで記述された論理回路を、CPLDの内部構造に合わせて変換し、マクロセルに割り当てます。

論理合成が完了すると、配置配線と呼ばれる工程に移ります。配置配線では論理合成で生成されたマクロセルの配置や、マクロセル間の配線を最適化します。この工程ではタイミング制約や面積制約なども考慮されます。

配置配線が完了すると、CPLDにプログラムを書き込むことができます。プログラムが書き込まれたCPLDは目的の論理回路として動作するようになります。

CPLDの動作速度とタイミング制御

CPLDの動作速度は主にマクロセル間の配線遅延によって決まります。配線遅延は配線の長さや負荷容量によって変化するため、配置配線の最適化が重要となります。

また、CPLDにはタイミング制御のための機能が用意されています。代表的なものとしてはクロックバッファやグローバルクロックネットワークがあります。これらを適切に活用することで、安定した同期動作を実現できます。

CPLDの動作速度はFPGAと比較すると低速ですが、十分な速度を備えています。用途に応じて、CPLDとFPGAを使い分けることが重要です。

CPLDの設計とプログラミング手法

CPLDの設計とプログラミング手法に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

• CPLDの設計フローとHDLの役割
• CPLDのプログラミング言語と開発環境
• CPLDの設計におけるタイミング検証とデバッグ

CPLDの設計フローとHDLの役割

CPLDの設計は一般的に以下のような流れで進められます。まず、目的の論理回路をHDLで記述します。HDLはVerilog HDLやVHDLなどの専用言語で、論理回路の構造や動作を抽象的に表現できます。

HDLで記述された論理回路は論理合成ツールによって最適化されます。論理合成ではHDLの記述を解析し、CPLDの内部構造に合わせて論理回路を変換します。この工程では論理の最適化やリタイミングなども行われます。

論理合成が完了すると、配置配線ツールを用いて、マクロセルの配置や配線の最適化を行います。最終的に、プログラムファイルが生成され、CPLDに書き込むことができます。

CPLDのプログラミング言語と開発環境

CPLDのプログラミングには主にVerilog HDLとVHDLが使用されます。これらのHDLは論理回路の構造や動作を抽象度の高いレベルで記述できるため、設計の生産性を向上できます。

CPLDの開発環境としてはAltera社のQuartusや、Xilinx社のISEなどがあります。これらの開発環境にはHDLのエディタや論理合成ツール、配置配線ツール、シミュレータなどが含まれており、一貫した設計環境を提供しています。

また、CPLDのプログラミングにはJTAGインターフェースを利用することが一般的です。JTAGはIEEE 1149.1標準で定められたバウンダリスキャン技術の一種で、CPLDの内部状態の確認やプログラムの書き込みに使用されます。

CPLDの設計におけるタイミング検証とデバッグ

CPLDの設計ではタイミング検証が重要な工程の一つです。タイミング検証では論理回路の動作速度や信号の伝搬遅延などを解析し、設計が要求仕様を満たしているかどうかを確認します。

タイミング検証にはスタティックタイミング解析(STA)と呼ばれる手法が用いられます。STAでは配置配線後のネットリストを解析し、信号の伝搬経路や遅延時間を算出します。これにより、クリティカルパスや setup/hold違反などの問題を検出できます。

CPLDの設計ではデバッグ機能も重要です。多くのCPLDには内部状態を確認するためのプローブ回路が内蔵されています。これを利用することで、動作中のCPLDの内部信号をリアルタイムで観測し、不具合の原因を特定できます。

CPLDの応用事例と利点

CPLDの応用事例と利点に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

• CPLDを使用した組込み機器の設計事例
• CPLDのコストメリットと開発期間の短縮
• CPLDとFPGAの使い分けと選定基準

CPLDを使用した組込み機器の設計事例

CPLDは組込み機器の設計によく使用されます。例えば、産業用ロボットの制御回路や、医療機器の信号処理回路などに利用されています。これらの用途ではCPLDの柔軟性や高速性が活かされています。

具体的な事例としてはモータ制御回路が挙げられます。CPLDを用いることで、エンコーダからのフィードバック信号を高速に処理し、モータの位置制御を実現できます。また、CPLDは信号のノイズ耐性も高いため、工場の過酷な環境下でも安定した動作が期待できます。

他にも、ネットワーク機器のインターフェース回路や、ディスプレイ制御回路など、CPLDの応用範囲は広いです。CPLDを活用することで、高性能かつ信頼性の高い組込み機器を設計できます。

CPLDのコストメリットと開発期間の短縮

CPLDはFPGAと比較して安価であるという利点があります。CPLDの価格は論理規模に応じて変化しますが、同等の機能を実現するFPGAよりも低コストで済むことが多いです。

また、CPLDは設計の変更が容易であるという特徴もあります。CPLDの論理回路はプログラムによって自由に変更できるため、仕様変更や不具合対応が迅速に行えます。これにより、開発期間の短縮が可能となります。

CPLDのコストメリットと開発期間の短縮は製品の市場投入までの時間を短縮し、競争力を高めることにつながります。特に、多品種少量生産の製品ではCPLDの活用が効果的です。

CPLDとFPGAの使い分けと選定基準

CPLDとFPGAはどちらもプログラマブルロジックデバイスですが、それぞれの特性に応じて使い分ける必要があります。CPLDは論理規模が小さく、高速性が要求される用途に適しています。一方、FPGAは大規模な論理回路を実現でき、柔軟性に優れています。

デバイスの選定には以下のような基準が考えられます。まず、必要な論理規模や性能を満たすかどうかを確認します。次に、開発期間やコストを考慮し、最適なデバイスを選定します。また、開発環境やサポート体制なども重要な選定基準となります。

CPLDとFPGAの使い分けには経験と知識が必要です。用途に応じて適切なデバイスを選定することで、高品質な製品を効率的に開発できます。

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