FPGA срещу микроконтролер: ключови различия и подобия

FPGA срещу микроконтролер: ключови разлики и подобия

FPGA и микроконтролери: разбиране на ключовите разлики

Съдържание

• Въведение
• Какво е FPGA?
• Какво е микроконтролер?
• FPGA и микроконтролери: ключови разлики
• FPGA срещу микроконтролер: Основни подобия
• Трябва ли да използвате FPGA или MCU във вашата печатна платка?
• FPGA и микроконтролер: Могат ли да се използват заедно?
• Микроконтролер и FPGA: Предпочитани приложения по отрасли
• Заключение
• Често задавани въпроси

Встъпление

Изборът между FPGA и микроконтролер е един от най-важните решения в областта на вградените системи и Дизайн на PCB . Избраният процесор влияе върху производителността, енергопотреблението, скоростта, времето за разработка, както и върху начина, по който трябва да бъде проектирана вашата печатна платка. При много проекти този избор определя целия продукт. Един FPGA  (FPGA) може да осигури мощна паралелна обработка и гъвкавост в инструментите, докато микроконтролерът предоставя проста и ефективна вградена компютърна система за приложения, насочени към управление.

На високо ниво разликата е следната: FPGA е преоръжаемо оборудване, докато микроконтролерът е едночипова компютърна система, проектирана за последователно изпълнение на инструкции. Това означава, че FPGA обикновено се избира, когато се изисква персонализирано логическо решение, обработка на данни с висока скорост или скорост на хардуера. Микроконтролерът се избира редовно, когато се изисква по-ниско енергопотребление, по-ниска цена и по-лесно програмиране на микроконтролера. И двете се използват широко при проектирането на вградени електронни устройства, но решават различни проблеми.

Този контраст се дължи на факта, че съвременните устройства са значително по-сложни от всякога. Устройствата може да изискват разпознаване на други устройства, свързване чрез Ethernet или шина за контейнери, обработка на видео, изпълнение на реалновременни контролни цикли и управление на енергийното потребление едновременно. В много случаи е достатъчен микроконтролер. В други случаи по-подходящ е FPGA. А в сложните системи и двете може да работят заедно на една и съща платка, за да осигурят баланс между контрол, цена и ефективност.

Бързи истини

Практичен пример

Представете си създаването на креативна камера. Ако устройството трябва само да оценява натиснатите бутони, да управлява сензорен модул и да изпраща информация за възникнали проблеми, микроконтролерът може да е напълно достатъчен. Ако обаче камерата трябва да извършва обработка на високоскоростно видео, да осигурява висока производителност, реално време за подобряване на изображенията или изкуствен интелект за извличане на заключения, FPGA може да е много по-добра избор, тъй като е способен да изпълнява множество задачи едновременно с изключително ниско забавяне. Това е видът компромис, с който дизайнерите се сблъскват ежедневно при прототипирането на цифрови устройства и разработването на нови продукти.

Определение на FPGA ?

Един FPGA (Field-Programmable Gate Array) или полево програмируем масив от логически елементи е вид програмируемо логическо устройство, което позволява на проектиращите да дефинират функционалността му след изработването на чипа. Това е основната идея зад FPGA-проектите: вместо да пишете софтуерно приложение, което се изпълнява върху фиксиран процесор, вие проектирате самата хардуерна архитектура, за да изпълни определена функция. Това прави FPGA принципно различен от микроконтролера. Микроконтролерът обикновено изпълнява инструкции последователно, докато FPGA може да извършва множество операции едновременно чрез паралелна обработка.

Един FPGA се разработва от голяма мрежа от програмируеми логически елементи, предавателни ресурси и I/O блокове. Един от най-често срещаните строителни блокове се състои от конфигурируеми логически блокове (CLB), таблици за търсене (LUT), тригери (FF), мултиплексори и програмируеми връзки. Тези компоненти работят заедно, за да изпълняват електронна логика, времеви режими, комуникационни потребителски интерфейси и персонализирани системи за управление. Безброй съвременни FPGA устройства също включват вградени блокове памет, DSP блокове и трансивъри за бързи интерфейси като PCIe, Ethernet или видео връзки. В резултат на това FPGA-устройствата често се използват в компютри с висока производителност, приложения за обработка на сигнали и FPGA приложения, които изискват действително по-ниско забавяне.

За разлика от микропроцесора, FPGA обикновено се конфигурира чрез езици за описване на хардуер (HDL), като VHDL или Verilog. Това не са обикновени езици за разработване на софтуерни приложения. Те са езици за описване на устройства, които дефинират логически входове, времеви параметри, информационни пътища, обработка на електронни сигнали и поведение в различни състояния. Затова разработката на FPGA обикновено се нарича програмиране на ниво на хардуер или логическо проектиране. Инженерите не казват на FPGA какво точно да прави. Те описват как трябва да бъде построен и свързан хардуерът на логическо ниво. Това работи, но освен това прави разработката значително по-сложна в сравнение с програмирането на микроконтролери.

Основни строителни блокове на FPGA

Защо инженерите използват FPGA

FPGA се избират, когато една задача изисква:

Идентичен изчислителен процес

Тарифа за оборудване

Пренапрограмируема хардуерна база

Изключително ниско забавяне

Персонализирани потребителски интерфейси

Бързо проектиране

Мащабируема ефективност

Например в системите за компютърно зрение, обработка на изображения и обработка на видео сигнали FPGA може да обработва едновременно множество пиксела или потоци от данни. В комерсиалните автоматизирани системи тя може да осъществява високоскоростно управляващо логическо изпълнение с детерминистично време. В телекомуникационното оборудване FPGA може да настройва информационните потоци с висока ефективност, без да чака централният процесор (CPU) да завърши отделните цикли на инструкции. Този степен на контрол е един от основните фактори, поради които FPGA се използват широко в аерокосмическата PCB-монтажна технология, в напредващи устройства и във вградени системи, които не могат да допуснат неопределеност във времето.

Защо инженерите използват FPGA

Микроконтролерът, обикновено наричан MCU, е малка компютърна система на един чип, проектирана за вградени задачи по управление. Той обикновено включва процесор (CPU), памет и периферни устройства като таймери, аналогово-цифрови преобразуватели (АЦП), интерфейси за взаимодействие с потребителя и програмируеми входно-изходни портове, всички интегрирани в един модул. За разлика от FPGA микроконтролерът не пренарежда самия себе си. Вместо това той изпълнява вградено софтуерно приложение или фърмуер, който точно определя как трябва да действа чипът. Затова разработката на системи въз основа на микроконтролери обикновено е по-лесна за усвояване в сравнение с разработката за FPGA.

Микроконтролерите се произвеждат за дълбоко вграден контрол на устройства и реалновремеви вградени приложения, където целта е успешно да се четат входове, да се вземат решения и да се управляват резултати. Те доминират в потребителски стоки, комерсиални контролери, носими устройства, домакински уреди, автомобилна електроника и IoT-устройства. Особено ценени са поради ефективността на микроконтролерите, тяхната цена и намаленото енергопотребление. Ако вашето проектиране изисква стандартен, сигурен и икономичен контрол, микроконтролерът (MCU) обикновено е първият избор.

Много MCU са базирани на архитектури като RISC-архитектура, ARM микроконтролерни ядра или различни други семейства от вградени процесори. Основните класификации на микроконтролерите са 8-битови, 16-битови и 32-битови модели. . Обикновено те се програмират с езици като C, вградени C++ програми или различни други firmware инструменти. В някои системи те осъществяват управление на сензорни блокове, комуникация, конфигурации на захранването и интерфейси, като използват изключително малко енергия.

Основни компоненти на микроконтролера

Защо инженерите използват микроконтролери

Микроконтролерите се предпочитат, защото са:

Недороги микроконтролери за производство

Лесни за интегриране директно в печатните платки

Ефективни за устройства с батерийно захранване

Прости за отстраняване на грешки в сравнение с FPGA

Отлични за приложения на микроконтролери в управление и наблюдение

Подходящи за нискоенергийни приложения и ежедневни електронни устройства

Типични приложения на микроконтролери

Умни домашни устройства

Безопасност в стаята

Контролни системи за носими електронни устройства

Автомобилни електронни устройства

Индустриални системи за управление

Възли на сензорни единици

Мобилни електронни устройства

Битова електроника

Основни предимства на микроконтролера

Фундаментално микроконтролерно фърмуерно обезпечениe

Намалено енергопотребление

По-ниска цена в сравнение с FPGA

Лесни за производство

Мобилно измерване

Поддръжка на цялата площ и областта на устройството

Основни ограничения на микроконтролера

Ограничено паралелно изпълнение

Не е идеален за ускоряване на персонализирани инструменти

Значително по-малко адаптируем от FPGA хардуера

Може да се справя трудно с истински високоскоростни или изключително специализирани задачи

FPGA и микроконтролери: ключови разлики

Най-важните разлики между FPGA и микроконтролер се свеждат до архитектурата, начина на обработка, гъвкавостта и метода на разработка. FPGA е преоръжаем хардуер, докато микроконтролерът е фиксиран централен процесор, който изпълнява софтуерна програма. Тази единствена разлика влияе практически върху всичко останало — начинът, по който те функционират, начинът, по който се програмират, и начина, по който се интегрират в печатна платформа (PCB).

Хардуерната архитектура

Един FPGA се състои от логически клетки, програмируеми междинни връзки и конфигурируеми блокове, които могат да бъдат настроени директно като персонализирани електронни схеми. Микроконтролерът е цялостен централен процесор с фиксирана архитектура. Вътрешната структура на микроконтролера не може да се промени по начина, по който се конфигурира един FPGA. Може да се промени само неговият фърмуер. Това означава, че един FPGA може да се превърне практически във всяка цифрова схема, докато микроконтролерът остава неизменен и просто изпълнява различен код.

Модел на обработка

Един FPGA извършва паралелна обработка. Много логически вериги могат да работят едновременно. Микроконтролерът извършва последователна обработка, при която инструкциите се изпълняват една след друга, дори ако някои задачи са управлявани чрез прекъсвания или разпределени между няколко ядра. Това прави FPGA-тата особено подходящи за обработка на данни с висока скорост и за персонализирани системи, чувствителни към времеви параметри.

Стил на програмиране

За програмиране на FPGA се използват езици за описване на хардуера (HDL), като Verilog и VHDL.

Микроконтролерите използват езикови среди за програмиране като C и C++.

Мощност и разходи

Микроконтролерите обикновено потребяват значително по-малко енергия и са по-евтини. ФПГА-та обикновено изискват много повече енергия, тъй като са проектирани за гъвкава логика и обработка с висока скорост. Компромисът е, че ФПГА-та могат да се справят с по-сложни задачи за производителност.

Таблица за сравнение

FPGA срещу микроконтролер: Основни подобия

Въпреки че всъщност са различни по вътрешно устройство, FPGA и микроконтролерните системи споделят някои ключови прилики. И двете се използват във вградени системи, и двете могат да бъдат монтирани на печатна платка и и двете могат да комуникират с реални входове и изходи. Просто казано, и двете са инструменти за разработване на решения за вградени компютърни системи.

Споделени прилики

И двете са програмируеми.

И двете се използват при разработването на вградено оборудване.

И двете могат да управляват сензори, комуникации и изпълнителни устройства.

И двете поддържат обработка в реално време.

И двете се използват в производството на електроника.

И двете могат да бъдат част от решения тип „система на чип“ или хибридни вградени системи.

Споделени роли в един продукт

И FPGA, и MCU могат да:

Преглеждат информацията от усещащите устройства.

Контролират резултатите.

Взаимодействат с комуникационните шини.

Помагат за поддържане на системното време.

Работят в електронните системи за управление.

Трябва ли да използвате FPGA или MCU във вашата печатна платка?

Отговорът зависи от целите на вашата система, особено по отношение на стила и формата на печатната платка (PCB). Изборът на процесор влияе върху броя на контактите, дебелината на проводниците, разпределението на мощността, топлината, цената, както и броя на слоевете на платката. Затова сравнението на процесорите за вградени системи трябва да се извърши рано в процеса на разработване на продукта, а не след като платката вече е изработена.

Когато микроконтролерът е по-подходящ избор

Изберете MCU, когато имате нужда от:

Не скъп.

Намалена мощност.

По-просто управление на вградени устройства.

Малко физическо въздействие.

Лесно подобряване на фърмуерите.

Непрекъснато интерфейсиране с датчици.

Когато FPGA е по-подходящ избор

Изберете FPGA, когато имате нужда от:

Високоскоростни изчисления.

Идентични процедури.

Персонализиран интерфейс.

Скорост на FPGA.

Сложно управление на времевите параметри.

Преорганизация на инструментите.

Далеч по-висока пропускана способност, отколкото може да осигури софтуерен процесор.

FPGA обикновено се използват в телекомуникационни системи, комерсиални автоматизирани системи, приложения за обработка на сигнали и напреднала измервателна апаратура.

Съображения за проектиране на печатни платки за FPGA

Платките с FPGA обикновено изискват:

BGA пакети.

HDI печатна платка.

Микросвърхове.

Предпазлива стабилност на сигнала.

Надеждна електрозахранваща честност.

Напреднала топлинна подготвителна работа.

По-голям брой слоеве в структурата.

Съображения за проектиране на печатни платки за микроконтролери

Платките за микроконтролери обикновено са по-лесни за производство, защото:

Броят на контактите е намален.

Електрозахранващите шини са по-прости.

Преминаването към по-висока плътност е по-удобно.

Структурата на платката обикновено може да бъде значително по-проста.

Практическо сравнение за проектирането на печатни платки

FPGA и микроконтролер: Могат ли да се използват заедно?

Да — и в няколко сложни системи те наистина го правят. Комбинираното оформление обикновено е най-умното решение за съчетаване на предимствата на двете съвременни технологии. Микроконтролерът управлява общото управление, взаимодействието и задачите на фърмуера, докато FPGA-та изпълняват процедури с висока изискваност към обработка на данни или критични по време операции. Това е типичен пример за съвместно проектиране на хардуер и софтуер.

Защо хибридните проекти работят добре

Микроконтролерът е отличен за:

Стартиране и инициализация на системата.

Проследяване на сензори.

Интерфейс.

Управление на техниката.

Ръководство с ниско енергопотребление.

FPGA-то е изключително подходящо за:

Обработка на едни и същи данни.

Обработка на сигнали в реално време.

Скорост на изкуствения интелект.

Обработка на видеоклипове.

Персонализиран момент на взаимодействие.

Предимства на хибридната система

Значително по-добра стабилност на ефективността.

Минимизиран риск в сравнение с натоварването на един чип да изпълнява всички функции.

Значително по-лесно разпределение на задачите.

Добра мащабируемост.

Значително по-надеждно използване на кремниево оборудване.

Често срещани хибридни приложения

Микроконтролер и FPGA: Предпочитани приложения по отрасли

Много пазари избират различни процесори в зависимост от техните приоритети. Някои се грижат най-много за разходите и простотата. Други се грижат най-много за скоростта и детерминистичното поведение на инструментите. Затова приложенията на FPGA и приложенията на микроконтролери обикновено се групират според пазара.

Отрасли, които често предпочитат микроконтролери

Микроконтролерите обикновено се предпочитат в:

Цифрови устройства за клиенти.

Носими устройства.

Апарати.

Интелигентни устройства за Интернет на нещата (IoT) с ниска цена.

Мобилни електронни инструменти.

Основни търговски системи за управление.

Тези продукти обикновено изискват малки размери, намалено енергопотребление и производство с ниска себестойност.

Отрасли, които често предпочитат програмируеми логически матрици (FPGA)

Програмируемите логически матрици (FPGA) обикновено се предпочитат в:

Аерокосмически приложения.

Телекомуникационни инструменти.

Високоскоростни измервателни устройства.

Напреднали клинични системи за визуализация.

Електронни устройства за отбрана.

Компютърни системи за машинно зрение.

Промишлени приложения за контролери на електродвигатели със сложни времеви изисквания.

Тези сектори обикновено изискват вградени системи с висока производителност, персонализирано логическо мислене и детерминистични времеви характеристики.

Индустрии, които използват и двете

Автомобилни електронни инструменти.

Приложения в роботиката.

Индустриални цифрови инструменти.

Профессионални електронни устройства.

Напреднали системи за взаимодействие.

Таблица с предпочитания за индустрията

Заключение

Изборът между FPGA и микроконтролер всъщност е избор между реконфигурируема хардуерна платформа и ефективно фиксирано функционално управление. FPGA са най-подходящи, когато имате нужда от еднакви възможности за управление, интегрирана схема, адаптивност на оборудването, персонализирано времево управление и високоскоростна обработка на информация. Микроконтролерите са най-подходящи, когато имате нужда от ниско енергопотребление, икономичност и по-лесно разработване за вградени системи, ориентирани към управление.

Нито един от двата варианта не е обикновено по-добър. Най-доброто решение зависи от вашата задача, бюджетен план, цели за производителност и ограниченията на печатната платка (PCB). Ако вашият продукт изисква прост контролер, обикновено по-доброто решение е микроконтролерът. Ако продуктът изисква персонализирана логика или интензивна обработка на данни, обикновено по-силният избор е FPGA. Ако вашият проект е сложен, най-доброто решение може да бъде комбинация от двете, работещи заедно на една и съща платка.

Често задавани въпроси

Какви са различията между FPGA и микроконтролер?

FPGA е пренастройваемо оборудване, което извършва паралелна обработка. Микроконтролерът е фиксиран централен процесор (CPU), който изпълнява фърмуер за последователни задачи по управление.

Може ли един FPGA да замени микроконтролер?

Често, но не винаги. FPGA може да изпълнява някои задачи по управление, но обикновено не е един от най-ефективните варианти за прости и с ниско енергопотребление приложения.

Могат ли FPGA и микроконтролер да взаимодействат?

Да. Много системи използват микроконтролер (MCU) за управление и FPGA за високоскоростна обработка на информация или ускоряване на хардуера.

По-добър ли е FPGA от микроконтролерите?

Не винаги. FPGA е по-добър за сложни, паралелни и високопроизводителни задачи. Микроконтролерите са по-добри за прости, евтини и с ниско енергопотребление приложения.

Какво е по-добре за вградени системи?

Това зависи от приложението. За прост контрол използвайте микроконтролер. За високоскоростна логика или персонализирана обработка използвайте FPGA.