- 発行日 2023年10月19日
- 最終変更日 2024年1月18日
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プログラマブルロジックデバイスとは？
プログラマブル・ロジック・デバイスは、電子回路の論理回路の定義を簡単に変更することができます。
標準的なデジタル電子回路では、一度機能が配線されプログラムされると、物理的に調整しない限り変更することはできません。しかし、プログラマブル・ロジック・デバイス（PLD）を使用すれば、物理的な変更を加えることなく、異なる動作をするように再構成することができます。
これにより、デジタル回路の柔軟性、効率性、機能が向上します、この集積回路（IC）は多くの複雑な電子システムやデバイスに広く採用されています。
この記事では、PLDが回路にもたらすその他の利点、利用可能なさまざまなタイプ、およびPLDをシステムに設計する際の留意点について説明します。
プログラマブル・ロジック・デバイスとは何ですか？
プログラマブル・ロジック・デバイス（PLD）は、様々なロジック・エレメントを内蔵した集積回路で、導入後にユーザーがリモートで設定できます。通常、論理素子にはフリップフロップ、ANDゲート、ORゲートが含まれ、これらはすべて、特定のデバイスと互換性のあるソフトウェア・プログラムで調整できます。
つまり、PLDを含む回路は、設置された時点では1つの機能を持ちますが、回路の物理的な部分を変更する必要なく、簡単に再プログラムや調整が可能です。PLDのロジックを変更するには、正しいプログラミング・ソフトウェアと言語（多くの場合、ハードウェア記述言語（HDL）と呼ばれる）を使用して、正しいパターンを作成する必要があります。
プログラマブル・ロジック・デバイスのメリット
PLDは、比較的単純な設計であっても、多く使われるICとなっています。これには次のような理由があります。
- 物理的なロジックを変更する必要がなく、回路の柔軟性と適応性が向上
- 設計がより革新的で創造的になり、必要に応じて設計をカスタマイズしたり、パーソナライズしたりできるように回路機能を強化
- 回路基板上の占有スペースと使用電力量の点で効率が高い。複数のデバイスの機能を1つのICで代替するPLDは、回路基板上の占有スペースが小さく、電力使用効率が高い
- 物理的な回路基板上の接続が少なく、使用する電力が少ないため、故障が発生しにくく、信頼性が向上
- 回路構築の高速化。回路基板に設計・組み込みが必要な要素が少なくなり、ソフトウェアで機能を素早く調整
こうしたさまざまなメリットがあるため、PLDは現在、多くの設計に使われるICとなっています。電気通信、複雑な制御システム、民生用電子機器など、多くのアプリケーションで実行可能な選択肢となっています。
プログラマブル・ロジック・デバイスの種類
回路の特定の要件に応じて、特定タイプのPLDを選択することができます。適切なタイプを選択することで、いくつかの論理素子のプログラマビリティと、配線された他の論理素子からのメリットを受けることができます。
- プログラマブル読み出し専用メモリ（PROM）デバイスは、固定ANDアレイ（多くの場合、入力のデコーダとして使用される）とプログラマブルORアレイを備えています。これらは通常、ファームウェアのような永続的なデータを保存するデバイスに使用されます。
- プログラマブル・ロジック・アレイ（PLA）デバイスは、プログラマブルなANDアレイとORアレイの両方を備えています。このため、これらのデバイスは、コンピュータなど、データパスの制御が必要なアプリケーションに最適です。
- プログラマブル・アレイ・ロジック（PAL）デバイスは、固定ORアレイとプログラマブルANDアレイで構成されています。単純な回路やステートマシンでよく使用されます。
これらのデバイスはすべて、ブール関数を実行するようにプログラムできますが、それぞれの具体的なロジックは、どのアレイが固定で、どのアレイがプログラム可能かによって異なります。
上記のタイプの特定の論理エレメントの他に、特定の構造によって定義されるPLDの形態があります。
シンプル・プログラマブル・ロジック・デバイス
シンプル・プログラマブル・ロジック・デバイス（SPLD）は、その名の通り、ゲート数が最も少ないタイプのPLDです。PLAやPALがこのカテゴリーに属します。複雑な設計でないにもかかわらず、異なるロジックと機能の組み合わせを実行することができます。そのため、通信、デジタル・ディスプレイ、タイミング演算など、多くのアプリケーションに適しています。
コンプレックス・プログラマブル・ロジック・デバイス
コンプレックス・プログラマブル・ロジック・デバイス（CPLD）は、マクロセルのブロックを互いに接続した構造になっています。その結果、個々のブロックとブロック間の接続の両方を個別にプログラムすることができます。
1つのデバイスで数千ゲートの可能性があるため、プログラマブルICの能力と柔軟性は、単純なデバイスに比べて高くなっています。
フィールド・プログラマブル・ロジック・デバイス
フィールド・プログラマブル・ロジック・デバイス（FPLD）またはフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（FPGA）デバイスは、プログラマブル・ロジック・マトリックス、配線マトリックス、入力および出力で構成されます。プログラマブル・ロジック・マトリックスは2次元のロジック・ブロックで構成されていて、配線マトリックスは、これらのブロックと入力ピンまたは出力ピンとの間の接続で構成されます。
最後に、プログラマブル入出力はバッファとして機能し、入力、出力、入出力ピンを介してチップの機能を構成できます。
CPLDとFPGAデバイスの違いを比較検討する場合、両者を分ける主な特徴は複雑さのレベルであり、後者の方がはるかにプログラマブルです。さらに、FPGAのゲート数はCPLDよりはるかに多い傾向があり、より複雑なレベルの構成を可能にします。
プログラマブル・ロジック・デバイスによる設計
PLDを使って回路を設計する場合、次のプロセスを踏む必要があります。
- 入力を設定し、出力を定義するブール方程式を構築し、各ゲートがどのように機能するかを決定します。
- 1つのPLD内でさまざまなゲートやブロックがどのように機能するかを示す論理図を作成します。これには、ゲートの出力を決定するための真理値表を作成し、最終的な回路ロジックを構築するために適切なシンボルを備えたダイアグラム・ツールを使用する必要があります。
- ロジックが設計されたら、適切なPLDと互換性のあるデザインファイルをソフトウェアで作成する必要があります。
- デザインファイルに基づいて、ゲートの性能がシミュレーションされます。これにより、デザイン・ファイルの動作が検証され、正確であることが保証されます。
- この時点から、デバイスはデバイス・マニュアルの特定の指示に従ってプログラムすることができます。
これらのステップに従い、ニーズに合ったPLDを選択することで、設計者は回路が正しく動作し、意図したとおりに機能することを確認することができます。