FPGA vs microcontrolador: principals diferències i similituds

FPGA vs. microcontrolador: principals diferències i similituds

FPGA i microcontrolador: comprenent les principals diferències

El contingut

• Introducció
• Què és una FPGA?
• Què és un microcontrolador?
• FPGA i microcontroladors: principals diferències
• FPGA vs microcontrolador: principals similituds
• Hauríeu d’usar una FPGA o una MCU al vostre PCB?
• FPGA i microcontrolador: es poden fer servir junts?
• Microcontrolador i FPGA: aplicacions preferides segons el sector industrial
• Conclusió
• PREGUNTES FREQUENTS

Introducció

Triar entre una FPGA i un microcontrolador és una de les decisions més crucials en sistemes integrats i Disseny de PCB . La CPU que seleccioneu afecta el rendiment, el consum energètic, la velocitat, el temps de desenvolupament i també la manera com cal disposar la vostra placa de circuits. En molts projectes, aquesta decisió determina tot el producte. Una FPGA  (FPGA) pot oferir un processament paral·lel potent i una gran versatilitat d’eines, mentre que un microcontrolador ofereix un sistema informàtic integrat senzill i eficient per a aplicacions centrades en el control.

A un nivell general, la diferència és aquesta: una FPGA és un equip reconfigurable, mentre que un microcontrolador és un sistema informàtic d’un sol xip dissenyat per a l’execució successiva d’instruccions. Això indica que normalment es tria una FPGA quan es necessita raonament personalitzat, processament de dades a alta velocitat o velocitat hardware. Un microcontrolador es tria habitualment quan es requereix un consum energètic inferior, un cost reduït i una implementació molt més senzilla. Tots dos s’utilitzen àmpliament en el disseny d’eines electròniques integrades, tot i que resolen problemes diferents.

Aquest contrast es deu al fet que les coses modernes són molt més complexes que mai abans. Els dispositius poden necessitar revisar la detecció de dispositius, connectar-se mitjançant Ethernet o bus de contenedors, processar vídeo, executar bucles de control en temps real i gestionar l’energia tot alhora. En molts casos, un microcontrolador n’és prou. En d’altres, una FPGA és una opció molt millor. I en sistemes sofisticats, tots dos poden treballar junts a la mateixa placa per equilibrar el control, el cost i l’eficàcia.

Fets ràpids

Un exemple pràctic

Imagineu la creació d'una càmera creativa. Si el dispositiu només ha d’avaluar botons, gestionar una unitat sensorial i enviar informació sobre problemes, un microcontrolador podria ser suficient. Tanmateix, si la càmera ha de realitzar tractament de vídeo d’alta velocitat, alt rendiment, millora d’imatges en temps real o raonament basat en intel·ligència artificial, una FPGA pot ser una opció molt millor, ja que pot gestionar nombroses tasques en paral·lel amb una latència extremadament reduïda. Aquest és el tipus de compromís amb què els dissenyadors es troben diàriament en el prototipatge d’eines digitals i el desenvolupament de dispositius.

Definició de FPGA ?

Un FPGA, o Varietat de Porta Programable per Àrea, és un tipus de dispositiu programable que permet als dissenyadors definir les funcions del dispositiu després que el xip ja hagi estat fabricat. Aquesta és la idea fonamental dels programes basats en FPGA: en lloc d’escriure un programa informàtic que s’executi sobre una CPU fixa, es dissenya directament el maquinari per dur a terme una funció concreta. Això fa que un FPGA sigui fonamentalment diferent d’un microcontrolador. Un microcontrolador executa instruccions seqüencialment, mentre que un FPGA pot realitzar múltiples operacions simultàniament mitjançant processament paral·lel.

Un FPGA es desenvolupa a partir d’una gran graella de blocs lògics programables, recursos de transmissió i blocs d’E/S. Un dels blocs de construcció més habituals consta de blocs lògics configurables (CLB), taules de cerca (LUT), biestables (FF), multiplexors i interconnexions programables. Aquests components treballen conjuntament per executar lògica electrònica, hàbits temporals, interfícies d’usuari de comunicació i sistemes de control personalitzats. Molts FPGA moderns inclouen, a més, blocs de memòria integrada, blocs DSP i transceptors per a interfícies ràpides com PCIe, Ethernet o enllaços web de vídeo. Com a conseqüència d’això, els FPGA s’utilitzen sovint en informàtica d’alt rendiment, aplicacions de processament de senyals i aplicacions FPGA que requereixen una latència realment reduïda.

A diferència d’un microprocessador, normalment es configura una FPGA amb llenguatges de programació HDL com el VHDL o el Verilog. Aquests no són llenguatges de programació d’aplicacions en el sentit habitual. Són llenguatges de descripció d’equips que defineixen entrades lògiques, temporització, camins de dades, tractament de senyals elèctrics i comportaments d’estat. Per això, el desenvolupament de FPGA normalment es denomina programació a nivell de maquinari o disseny lògic. Els enginyers no indiquen a la FPGA què ha de fer de forma exhaustiva; en lloc d’això, descriuen com s’ha de construir i connectar l’equip des del punt de vista lògic. Això funciona, però també fa que el desenvolupament sigui molt més complex que la programació de microcontroladors.

Blocs fonamentals de les FPGA

Per què els enginyers utilitzen FPGAs

Les FPGAs es trien quan una tasca requereix:

Càlcul idèntic

Velocitat de l'equipament

Maquinari reconfigurable

Latència excepcionalment baixa

Interfícies d'usuari personalitzades

Prototipatge ràpid

Eficiència escalable

Per exemple, en visió per ordinador, sistemes de processament d'imatges i processament de senyals de vídeo, una FPGA pot refinar simultàniament diversos píxels o fluxos de dades. En sistemes d'automatització industrial, pot gestionar raonaments de control d'alta velocitat amb temporització determinista. En equipaments de telecomunicacions, pot ajustar fluxos d'informació a alta velocitat sense haver d'esperar que la CPU acabi cicles d'instruccions individuals. Aquest grau de control és un dels factors pels quals les FPGAs s'utilitzen habitualment en muntatges de PCB aeroespacials, dispositius de navegació avançats i sistemes integrats que no poden tolerar incerteses temporals.

Per què els enginyers utilitzen FPGAs

Un microcontrolador, normalment anomenat MCU, és un petit sistema informàtic en un sol xip dissenyat per a tasques de control integrat. Generalment inclou una unitat central de processament (CPU), memòria i perifèrics com temporitzadors, convertidors analògic-digitals (ADC), interfícies d'interacció amb l'usuari i entrades/sortides programables en un sol paquet. A diferència d'una FPGA, un microcontrolador no es reconfigura ell mateix. En lloc d'això, executa un programa d'aplicació integrat o firmware que indica específicament al xip com ha d'actuar. Per això, el desenvolupament amb microcontroladors sol ser menys complicat d'aprendre que el desenvolupament amb FPGA.

Els microcontroladors es produeixen per a aplicacions de control de dispositius arrelats i en temps real, on l’objectiu és llegir entrades, prendre decisions i generar resultats amb èxit. Predominen en productes per al consumidor, controladors comercials, dispositius portables, aparells domèstics, electrònica vehicle i dispositius IoT. Es valoren especialment per la seva eficàcia, el seu cost i el seu baix consum energètic. Si el vostre disseny requereix un control estàndard, segur i econòmic, normalment l’MCU és l’opció preferida.

Molts MCU es basen en arquitectures com ara l’arquitectura RISC, els nuclis de microcontrolador ARM o diverses altres famílies de processadors arrelats. Les principals classificacions de microcontroladors són els models de 8 bits, 16 bits i 32 bits. . Normalment es programen utilitzant llenguatges com ara programes C, programes C++ integrats o altres eines de programari firmware. En una sèrie de sistemes, gestionen unitats d’adquisició de dades, interacció, configuracions d’alimentació i interfície, tot fent servir una quantitat extremadament reduïda d’energia.

Components principals del microcontrolador

Per què els enginyers utilitzen microcontroladors

Els microcontroladors són preferits perquè són:

Microcontroladors econòmics per a la producció

Fàcils d'integrar directament en el disseny de PCB

Eficients per a dispositius alimentats amb bateries

Senzills de depurar comparats amb les FPGA

Excel·lents per a aplicacions de microcontrolador en control i vigilància

Adequats per a aplicacions de baix consum i dispositius electrònics quotidians

Aplicacions típiques de microcontroladors

Dispositius intel·ligents per a l'habitatge

Electrodomèstics

Sistemes de control per a dispositius electrònics portables

Dispositius electrònics automotrius

Sistemes de control industrial

Nodes d'unitats sensorials

Dispositius electrònics mòbils

Electrònica de consum

Principals avantatges dels microcontroladors

Firmware fonamental del microcontrolador

Reducció de la consum d'energia

Preu minimitzat en comparació amb una FPGA

Fàcil de fabricar

Mesura mòbil

Suport d'àrea sòlida i àrea del dispositiu

Limitacions principals del microcontrolador

Gestió paral·lela restringida

No és ideal per a l'acceleració d'eines personalitzades

Molt menys adaptable que l'hardware FPGA

Pot tenir dificultats amb treballs realment d'alta velocitat o realment especialitzats

FPGA i microcontroladors: principals diferències

Les millors diferències entre FPGA i microcontroladors es redueixen al disseny, al disseny de processament, a la flexibilitat i al mètode de desenvolupament. Una FPGA és un hardware reconfigurable, mentre que un microcontrolador és una unitat central de processament (CPU) que executa un programa informàtic. Aquesta única diferència afecta gairebé tota la resta relacionada amb com funcionen, com es programen i com s'integren en un disseny de placa de circuit imprès (PCB).

Arquitectura de maquinari

Un FPGA està construït a partir de cel·les lògiques, interconnexions programables i blocs configurables que es poden implementar directament com a circuits electrònics personalitzats. Un microcontrolador és una unitat central de processament completa amb un disseny fix. No es pot modificar l’estructura interna del microcontrolador com es pot configurar un FPGA. Només es pot modificar el seu firmware. Això vol dir que un FPGA pot convertir-se pràcticament en qualsevol circuit digital, mentre que un microcontrolador roman el mateix i només executa diferents programes.

Model de processament

Un FPGA realitza un processament paral·lel. Molts camins lògics poden executar-se al mateix temps. Un microcontrolador realitza un processament seqüencial, on les instruccions s’executen una rere l’altra, fins i tot si algunes tasques són gestionades per interrupcions o per diversos nuclis. Això fa que els FPGA siguin especialment adequats per al processament d’informació a alta velocitat i per a sistemes personalitzats sensibles al temps.

Estil de programació

La programació d’un FPGA utilitza llenguatges HDL com Verilog i VHDL.

Els microcontroladors mostren l’ús de llenguatges de programació com el C i el C++.

Potència i cost

Els microcontroladors normalment consumeixen molt menys potència i són més econòmics. Els FPGA generalment requereixen molt més potència, ja que estan dissenyats per a la lògica versàtil i el processament a alta velocitat. El compromís és que els FPGA poden gestionar problemes de rendiment més complexos.

Taula de comparació

FPGA vs microcontrolador: principals similituds

Encara que són realment diferents entre si, els sistemes FPGA i microcontroladors comparteixen algunes similituds fonamentals. Tots dos s’utilitzen en sistemes integrats, tots dos es poden col·locar en una placa de circuit imprès i tots dos poden comunicar-se amb entrades i sortides del món real. En resum, tots dos són eines per desenvolupar solucions informàtiques integrades.

Similituds compartides

Tots dos són programables.

Tots dos s’aprofiten en el desenvolupament d’equips integrats.

Tots dos poden gestionar sensors, comunicacions i actuadors.

Tots dos admeten el processament en temps real.

Tots dos s'utilitzen en la fabricació d'electrònica.

Tots dos poden formar part d'opcions de sistema-en-una-xip o de sistemes integrats híbrids.

Funcions compartides en un producte

Tant les FPGA com les MCU poden:

Revisar la informació dels sensors.

Controlar resultats.

Interactuar amb els buses de comunicació.

Ajuda a gestionar el temps del sistema.

Executar-se dins de sistemes de control electrònic.

Hauríeu d’usar una FPGA o una MCU al vostre PCB?

La resposta depèn dels objectius del vostre sistema, especialment en el disseny i el format de la PCB. La selecció de la CPU afecta la quantitat de pins, l’espessor de les pistes, la distribució de potència, la calor, el preu i també el nombre de capes de la placa. Per això, la comparació de CPUs per a sistemes integrats ha de fer-se al principi del desenvolupament del producte, no després que la placa ja estigui fabricada.

Quan un microcontrolador té més sentit

Trieu una UCP quan necessiteu:

De baix cost.

Consum reduït d'energia.

Control més senzill de dispositius integrats.

Petita incidència física.

Actualització fàcil del programari integrat.

Interfície senzilla amb sensors.

Quan una FPGA té més sentit

Seleccioneu una FPGA quan necessiteu:

Raonament a alta velocitat.

Procediments idèntics.

Interfície personalitzada.

Velocitat FPGA.

Control de temporització complicat.

Reconfiguració d'eines.

Un rendiment molt millor del que pot oferir un processador de programari.

Els FPGA s'utilitzen habitualment en sistemes de telecomunicacions, sistemes d'automatització comercial, aplicacions de tractament de senyals i instrumentació avançada.

Consideracions de disseny de PCB per a FPGA

Les plaques FPGA normalment requereixen:

Paquets BGA.

PCB HDI dirigides.

Microvies.

Estabilitat cautelosa del senyal.

Integritat sòlida de l’alimentació.

Preparació tèrmica avançada.

Empilaments amb major nombre de capes.

Consideracions de disseny de PCB per a microcontroladors

Les plaques de MCU normalment són menys complexes de fabricar perquè:

El nombre de pins és reduït.

Les pistes d’alimentació són menys complexes.

La transferència de densitat és encara més pràctica.

La configuració de capes de la placa pot ser habitualment molt menys complexa.

Comparació pràctica per a dissenyadors de PCB

FPGA i microcontrolador: es poden fer servir junts?

Sí — i, de fet, en diversos sistemes sofisticats, ho fan. Una configuració híbrida és normalment la manera més intel·ligent de combinar les capacitats de les dues innovacions contemporànies. El microcontrolador s’encarrega del control general, la interacció i les tasques de firmware, mentre que la FPGA s’encarrega de procediments amb molta càrrega de dades o crítics des del punt de vista temporal. Aquest és un exemple convencional de disseny conjunt hardware-programari.

Per què els dissenys híbrids funcionen bé

Un microcontrolador és excel·lent per:

Arrencada i inici del sistema.

Seguiment de sensors.

Interfície.

Tractament tècnic.

Control de baix consum.

Un FPGA és excepcional per:

El mateix tractament de dades.

Tractament de senyals en temps real.

Velocitat d’IA.

Tractament de clips de vídeo.

Temporització personalitzada de la interacció.

Avantatges dels sistemes híbrids

Estabilitat de l’eficàcia molt millor.

Risc reduït respecte a obligar un sol xip a fer-ho tot.

Divisió de tasques molt més senzilla.

Bon escalabilitat.

Un ús molt més fiable de l’equipament de silici.

Aplicacions híbrides habituals

Microcontrolador i FPGA: aplicacions preferides segons el sector industrial

Nombrosos mercats trien processadors diferents segons les seves preocupacions. Alguns es preocupen sobretot pel cost i la senzillesa. D'altres es preocupen sobretot per la velocitat i les accions deterministes de les eines. Per això, les aplicacions FPGA i les aplicacions de microcontroladors solen agrupar-se segons el mercat.

Indústries que sovint prefereixen microcontroladors

Els microcontroladors normalment es prefereixen en:

Dispositius digitals per a consumidors.

Dispositius portables.

Aparells.

Dispositius IoT de baix cost.

Eines electròniques mòbils.

Sistemes fonamentals de control comercial.

Aquests productes normalment necessiten petites dimensions, un consum reduït d'energia i una producció econòmica.

Indústries que sovint prefereixen les FPGA

Les FPGA són habitualment preferides en:

Aplicacions aeroespacials.

Eines de telecomunicacions.

Instrumentació d'alta velocitat.

Imatges clíniques avançades.

Dispositius electrònics de defensa.

Sistemes de visió per ordinador.

Aplicacions industrials de controladors de motors elèctrics amb temporització complexa.

Aquests sectors normalment requereixen sistemes integrats d’alt rendiment, raonament personalitzat i temporització determinista.

Indústries que utilitzen ambdós

Eines electròniques automotrius.

Aplicacions robòtiques.

Eines digitals industrials.

Dispositius electrònics professionals.

Sistemes d’interacció avançats.

Taula de preferències sectorials

Conclusió

L’opció FPGA contra microcontrolador és, en realitat, una tria entre maquinari reconfigurable i control eficient de funció fixa. Les FPGA són òptimes quan es necessiten capacitats de processament idèntiques, circuits integrats, adaptabilitat d’equipament, temporització personalitzada i tractament d’informació a alta velocitat. Els microcontroladors són òptims quan es requereix un consum reduït d’energia, un cost efectiu i un desenvolupament menys complex per a sistemes embebuts centrats en el control.

Cap dels dos és habitualment molt millor. La millor opció depèn de la vostra feina, del pla d'inversió, dels objectius de rendiment i de les limitacions de la PCB. Si el vostre producte necessita un controlador bàsic, normalment un microcontrolador és la solució millor. Si necessita raonament personalitzat o un processament intens de dades, normalment una FPGA és l’opció més adequada. Si el vostre projecte és avançat, la millor alternativa pot ser combinar-los tots dos en la mateixa placa.

PREGUNTES FREQUENTS

Quines són les diferències entre una FPGA i un microcontrolador?

Una FPGA és un equipament reconfigurable dissenyat per al processament paral·lel. Un microcontrolador és una CPU fixa que executa firmware per a tasques de control seqüencials.

Pot una FPGA substituir un microcontrolador?

Sovent, però no sempre. Una FPGA pot fer-se càrrec d’algunes tasques de control, però normalment no és una de les alternatives més eficients per a aplicacions senzilles i de baix consum.

Poden interactuar una FPGA i un microcontrolador?

Sí. Diversos sistemes fan servir una MCU per al control i una FPGA per al processament d'informació a alta velocitat o per a la velocitat de l'equipament.

És la FPGA molt millor que els microcontroladors?

No sempre. La FPGA és millor per a tasques d'instal·lació, paral·leles i d'alt rendiment. Els microcontroladors són millors per a aplicacions bàsiques, de baix cost i de baix consum energètic.

Què és millor per als sistemes integrats?

Depèn de l'aplicació. Per al control bàsic, utilitzeu un microcontrolador. Per al raonament a alta velocitat o per al tractament personalitzat, utilitzeu una FPGA.