FPGA vs mikrokontrolér: klíčové rozdíly a podobnosti

FPGA vs mikrokontrolér: hlavní rozdíly a podobnosti

FPGA a mikrokontroléry: pochopení klíčových rozdílů

Obsah

• Úvod
• Definice FPGA?
• Co je mikrokontrolér?
• FPGA a mikrokontroléry: klíčové rozdíly
• FPGA versus mikrokontrolér: hlavní podobnosti
• Měli byste ve své tištěné spojovací desce (PCB) použít FPGA nebo mikrokontrolér?
• FPGA a mikrořadič: Lze je používat společně?
• Mikrořadič a FPGA: Preferované aplikace podle odvětví
• Závěr
• Nejčastější dotazy

Úvod

Výběr mezi FPGA a mikrořadičem patří mezi nejdůležitější rozhodnutí v oblasti vestavěných systémů a Konstrukce PCB . Vybraný procesor ovlivňuje výkon, spotřebu energie, cenu, dobu vývoje a také způsob, jakým musí být deska plošných spojů navržena. V řadě projektů toto rozhodnutí určuje celý výrobek. FPGA  (FPGA) umožňuje výkonné paralelní zpracování a poskytuje velkou flexibilitu nástrojů, zatímco mikrořadič nabízí jednoduchý a účinný vestavěný počítač pro aplikace zaměřené na řízení.

Na vyšší úrovni je rozdíl následující: FPGA je přeconfigurovatelné zařízení, zatímco mikrořadič je jednočipový počítačový systém navržený pro postupné provádění instrukcí. To znamená, že FPGA se obvykle volí v případech, kdy je vyžadována specializovaná logika, zpracování dat vysokou rychlostí nebo hardwarová rychlost. Mikrořadič se naopak často volí, pokud je potřeba nižší spotřeba energie, nižší cena a jednodušší implementace mikrořadiče. Oba typy jsou široce využívány při návrhu vestavěných elektronických zařízení, avšak řeší různé problémy.

Tento kontrast vyplývá z toho, že moderní zařízení jsou mnohem složitější než dříve. Zařízení může vyžadovat detekci jiných zařízení, připojení přes Ethernet nebo sběrnici pro průmyslové použití, zpracování videa, provoz reálných řídicích smyček a zároveň řízení spotřeby energie. Ve mnoha případech stačí mikrokontrolér. V jiných je lepším řešením FPGA. A v pokročilých systémech se oba typy prvků mohou na stejné desce kombinovat, aby zajistily rovnováhu mezi řízením, cenou a účinností.

Rychlé fakta

Praktický příklad

Představte si vytvoření kreativního fotoaparátu. Pokud zařízení potřebuje pouze vyhodnotit stisk tlačítek, řídit senzor a odeslat informace o chybě, může být k tomu postačit mikrořadič. Pokud však fotoaparát musí provádět zpracování rychlých videí, nabízet vysoký výkon, reálné zlepšování obrazu nebo umělou inteligenci, může být FPGA mnohem lepší volbou, protože dokáže zpracovávat množství úkolů současně s velmi nízkou latencí. Právě takové kompromisy si denně klade návrháři při prototypování digitálních zařízení a vývoji zařízení.

Definice FPGA ?

FPGA, nebo Field-Programmable Gate Array (pole programovatelných hradel), je typ programovatelného logického zařízení, které umožňuje návrhářům definovat funkce zařízení poté, co byl čip již vyráběn. To je zásadní myšlenka za programováním FPGA: místo psaní softwarové aplikace, která běží na pevně daném procesoru, navrhujete samotné hardware, aby vykonával konkrétní funkci. Tím se FPGA zásadně liší od mikrokontroleru. Mikrokontroler provádí instrukce sekvenčně, zatímco FPGA dokáže provádět mnoho operací současně pomocí paralelního zpracování.

FPGA je vyvinuta z rozsáhlé mřížky programovatelných logických prvků, přenosových prostředků a vstupně-výstupních bloků. Mezi nejběžnější stavební bloky patří konfigurovatelné logické bloky (CLB), tabulky výhledu (LUT), klopné obvody (FF), multiplexery a programovatelné propojení. Tyto komponenty společně realizují digitální logiku, časování, rozhraní pro komunikaci a specializované řídicí systémy. Mnoho moderních FPGA zařízení obsahuje také vestavěné paměťové bloky, bloky pro číslicové zpracování signálů (DSP) a transceivery pro rychlá rozhraní, jako jsou PCIe, Ethernet nebo video rozhraní. Díky tomu se FPGA často používají v aplikacích vysoce výkonného počítačového zpracování, zpracování signálů a v aplikacích vyžadujících skutečně nízkou latenci.

Na rozdíl od mikroprocesoru je FPGA obvykle programována jazyky pro popis hardwaru (HDL), jako jsou VHDL nebo Verilog. Tyto jazyky nejsou softwarovými aplikačními jazyky ve smyslu, který je běžně znám. Jedná se o jazyky pro popis zařízení, které definují logické vstupy, časování, datové cesty, zpracování elektrických signálů a chování stavů. Proto se vývoj FPGA obvykle označuje jako programování na úrovni hardwaru nebo návrh logiky. Inženýři FPGA nepřikazují, co má dělat – místo toho popisují, jak by mělo být zařízení fyzicky sestaveno a propojeno na úrovni logiky. To funguje, ale zároveň činí vývoj mnohem náročnějším než programování mikrokontrolerů.

Základní stavební bloky FPGA

Proč inženýři používají FPGA

FPGA jsou zvolena, pokud úkol vyžaduje:

Identický výpočet

Sazba vybavení

Přeprogramovatelný hardware

Výjimečně nízká latence

Uživatelské rozhraní na míru

Rychlé prototypování

Škálovatelná účinnost

Například v počítačovém vidění, systémech zpracování obrazu a zpracování video signálů může FPGA současně zpracovávat několik pixelů nebo datových proudů. V komerčních systémech automatizace může zajišťovat řízení vysoké rychlosti s deterministickým časováním. V telekomunikačním zařízení může jemně ladit datové toky za vysokých nákladů, aniž by čekalo na dokončení jednotlivých instrukčních cyklů procesorem (CPU). Tento stupeň řízení je jedním z důvodů, proč jsou FPGA pravidelně používány při montáži tištěných spojovacích desek (PCB) pro leteckoprávní aplikace, pokročilé detekční zařízení a vestavěné systémy, které nemohou tolerovat nejistotu časování.

Proč inženýři používají FPGA

Mikrořadič, obvykle označovaný jako MCU, je malý počítačový systém na jediném čipu navržený pro vestavěné řídící úkoly. Obvykle zahrnuje procesor (CPU), paměť a periferní zařízení, jako jsou časovače, analogově-digitální převodníky (ADC), rozhraní pro komunikaci a programovatelné vstupně-výstupní obvody (I/O), vše v jednom balíčku. Na rozdíl od FPGA mikrořadič sám o sobě nezpřístupňuje opětovné konfigurování zařízení. Místo toho spouští vestavěný softwarový program nebo firmware, který čipu přesně určuje, jak se má chovat. Proto je vývoj aplikací pro mikrořadiče obvykle méně složitý než vývoj pro FPGA.

Mikrořadiče jsou vyráběny pro hluboko zakořeněné řízení zařízení a aplikace v reálném čase, kde je cílem úspěšně číst vstupy, provádět rozhodování a řídit výsledky. Dominují v spotřebních výrobcích, průmyslových řídicích systémech, nositelných zařízeních, domácích přístrojích, elektronice vozidel a IoT zařízeních. Zvláště jsou ceněny pro efektivitu mikrořadičů, nízkou cenu mikrořadičů a sníženou spotřebu energie. Pokud vaše návrhová konfigurace vyžaduje standardní, bezpečné a ekonomické řízení, je mikrořadič (MCU) obvykle první volbou.

Mnoho mikrořadičů je založeno na architekturách jako je RISC architektura, jádra mikrořadičů ARM nebo různé jiné rodiny vestavěných procesorů. Hlavní kategorie mikrořadičů jsou 8bitové, 16bitové a 32bitové modely. . Obvykle se programují pomocí jazyků jako je C, vestavěné C++ nebo různé jiné firmwareové nástroje. V řadě systémů zajišťují sběr dat ze senzorů, komunikaci, nastavení napájení a rozhraní při využití extrémně nízkého množství energie.

Základní komponenty mikrořadičů

Proč inženýři používají mikrokontroléry

Mikrokontroléry jsou preferovány proto, že jsou:

Nedrahé mikrokontroléry pro výrobu

Snadno integrovatelné přímo do návrhu tištěných spojovacích desek (PCB)

Účinné pro zařízení napájená bateriemi

Jednodušší na ladění ve srovnání s FPGA

Vynikající pro aplikace mikrokontrolérů v řízení a dozoru

Vhodné pro nízkoproudové aplikace a každodenní elektronická zařízení

Typické aplikace mikrokontrolérů

Chytré domácí zařízení

Domácí spotřebiče

Řídicí systémy nositelných elektronických zařízení

Automobilová elektronická zařízení

Průmyslové řídící systémy

Uzly senzorových jednotek

Mobilní elektronická zařízení

Spotřební elektronika

Hlavní výhody mikrořadiče

Základní firmware mikrořadiče

Snížená spotřeba energie

Nižší cena než u FPGA

Snadno se vyrábějí

Mobilní měření

Podpora pevné oblasti a oblasti zařízení

Hlavní omezení mikrořadiče

Omezené paralelní zpracování

Není ideální pro zrychlení přizpůsobených nástrojů

Mnohem méně přizpůsobitelný než FPGA hardware

Může mít potíže s opravdu vysokorychlostními nebo velmi specializovanými úkoly

FPGA a mikrokontroléry: klíčové rozdíly

Nejlepší rozdíly mezi FPGA a mikrořadičem se svádí na návrh, architekturu zpracování, flexibilitu a metodu vývoje. FPGA je překonfigurovatelný hardware, zatímco mikrořadič je sada CPU provozující softwarový program. Tento jediný rozdíl ovlivňuje prakticky všechno ostatní, co se týká toho, jak fungují, jak se programují a jak se integrují do návrhu tištěného spojení (PCB).

Hardwarové architektury

FPGA je sestavena z logických buněk, programovatelných propojení a konfigurovatelných bloků, které lze přímo nastavit tak, aby tvořily specializované elektronické obvody. Mikrořadič je kompletní procesor se specializovaným návrhem. Vnitřní strukturu mikrořadiče nelze změnit stejně jako u FPGA – lze změnit pouze jeho firmware. To znamená, že FPGA může být naprogramována tak, aby fungovala jako téměř jakýkoli digitální obvod, zatímco mikrořadič zůstává stále stejný a pouze spouští různý software.

Zpracovatelský model

FPGA provádí paralelní zpracování. Mnoho logických operací může probíhat současně. Mikrořadič provádí sériové zpracování, kdy jsou instrukce vykonávány jedna za druhou, i když některé úkoly jsou řízeny přerušením nebo spravovány vícejádrovými procesory. To činí FPGA zvláště vhodnými pro zpracování dat vysokou rychlostí a pro specializované systémy citlivé na časování.

Styl programování

Pro programování FPGA se používají jazyky popisu hardwaru (HDL), jako jsou Verilog a VHDL.

Mikrořadiče využívají programovací jazyky, jako je C a C++.

Výkon a náklady

Mikrořadiče obvykle spotřebují mnohem méně energie a jsou levnější. FPGA obvykle vyžadují výrazně více energie, protože jsou navržena pro univerzální logiku a zpracování vysokorychlostních úloh. Kompenzací je skutečnost, že FPGA dokážou zvládnout náročnější výkonnostní úkoly.

Srovnávací tabulka

FPGA versus mikrokontrolér: hlavní podobnosti

Ačkoli se ve skutečnosti liší, FPGA a mikrokontrolérové systémy sdílejí některé klíčové podobnosti. Oba se používají ve vestavěných systémech, oba lze umístit na tištěnou spojovací desku a oba mohou komunikovat s reálnými vstupy a výstupy. Jednoduše řečeno, oba jsou nástroji pro vývoj řešení vestavěných počítačových systémů.

Společné podobnosti

Oba jsou programovatelné.

Oba se využívají při vývoji vestavěného zařízení.

Oba dokáží řídit senzory, komunikaci a akční členy.

Oba podporují zpracování v reálném čase.

Oba se používají v elektronickém výrobku.

Oba mohou být součástí řešení typu systém na čipu (SoC) nebo hybridních vestavěných systémů.

Společné role v produktu

FPGA i MCU mohou:

Zkontrolovat informace ze snímací jednotky.

Řídit výstupy.

Komunikovat s sběrnicemi pro přenos dat.

Pomoci udržovat časování systému.

Běžet v elektronických řídicích systémech.

Měli byste ve své tištěné spojovací desce (PCB) použít FPGA nebo mikrokontrolér?

Odpověď závisí na cílech vašeho systému, zejména na návrhu a formátu tištěného spojení (PCB). Výběr procesoru ovlivňuje počet pinů, tloušťku vodičů, rozvod výkonu, tepelné charakteristiky, cenu a také počet vrstev desky. Proto musí porovnání procesorů pro vestavěné systémy proběhnout již v rané fázi vývoje výrobku, nikoli až poté, co je deska již vyrobena.

Kdy dává mikrořadič více smyslu

Vyberte mikrořadič, pokud potřebujete:

Nedrahé.

Snížený výkon.

Jednodušší řízení vestavěných zařízení.

Malý fyzický dopad.

Snadné aktualizace firmwaru.

Nepatrné nároky na rozhraní senzorů.

Kdy má FPGA větší smysl

Vyberte FPGA, pokud potřebujete:

Rychlé zpracování dat.

Identické postupy.

Přizpůsobené uživatelské rozhraní.

Rychlost FPGA.

Složitá časová kontrola.

Překonfigurace nástrojů.

Mnohem vyšší propustnost než je schopen poskytnout softwarový procesor.

FPGA se obvykle používají v telekomunikačních systémech, komerčních systémech automatizace, aplikacích pro zpracování signálů a pokročilých měřicích přístrojích.

Zvažování návrhu tištěných spojovacích desek pro FPGA

Desky FPGA obvykle vyžadují:

BGA pouzdra.

HDI tištěné spojovací desky.

Mikrovývody.

Opatrnost při stabilitě signálu.

Spolehlivá výkonová spolehlivost.

Pokročilá příprava pro tepelné podmínky.

Větší počet vrstev v uspořádání desky.

Zohlednění při návrhu PCB pro mikrořadiče

Desky MCU jsou obvykle jednodušší na výrobu, protože:

Počet vývodů je snížen.

Napájecí sběrnice jsou jednodušší.

Přenosová hustota je pohodlnější.

Uspořádání desky (stackup) je často méně složité.

Praktické srovnání pro návrháře tištěných spojovacích desek

FPGA a mikrořadič: Lze je používat společně?

Ano – a v několika sofistikovaných systémech tak skutečně dělají. Kombinované uspořádání je obvykle nejrozumnějším způsobem, jak spojit výhody obou moderních technologií. Mikrořadič zajišťuje obecné řízení, komunikaci a úkoly firmware, zatímco FPGA zpracovává datově náročné nebo časově kritické procesy. Jedná se o běžný příklad spolupráce hardwaru a softwaru při návrhu.

Proč hybridní návrhy fungují dobře

Mikrořadič je výborný pro:

Spouštění a spuštění systému.

Sledování senzorů.

Rozhraní.

Zpracování technik.

Nízkoproudové řízení.

FPGA je výjimečná pro:

Zpracování stejných údajů.

Zpracování signálů v reálném čase.

Rychlost umělé inteligence.

Zpracování videozáznamů.

Personalizované časování interakce.

Výhody hybridního systému

Mnohem lepší stabilita účinnosti.

Minimalizované riziko oproti vynucení jednoho čipu k provádění všech úkolů.

Mnohem jednodušší rozdělení úkolů.

Dobrá škálovatelnost.

Mnohem spolehlivější využití křemíkového vybavení.

Běžné hybridní aplikace

Mikrořadič a FPGA: Preferované aplikace podle odvětví

Různé trhy volí různé procesory podle svých požadavků. Některé trhy kladou důraz především na náklady a jednoduchost. Jiné trhy se zaměřují především na rychlost a deterministické chování nástrojů. Proto se aplikace FPGA a aplikace mikrořadičů obvykle liší podle trhu.

Odvětví, která často upřednostňují mikrořadiče

Mikrořadiče jsou obvykle upřednostňovány v:

Digitálních zařízeních pro zákazníky.

Nositelných zařízeních.

Přístrojů.

Levných zařízeních IoT.

Přenosných elektronických nástrojích.

Základních komerčních řídicích systémech.

Tato zařízení obvykle vyžadují malé rozměry, sníženou spotřebu energie a cenově výhodnou výrobu.

Odvětví, která často upřednostňují FPGA

FPGA jsou obvykle upřednostňovány v:

Aerospace aplikace.

Telekomunikační nástroje.

Vysokorychlostní měřicí přístroje.

Pokročilé klinické zobrazování.

Obranná elektronická zařízení.

Počítačové systémy pro vizuální systémy.

Průmyslové aplikace řadičů elektrických motorů s komplikovaným časováním.

Tyto odvětví obecně vyžadují vysokovýkonné vestavěné systémy, specializované zpracování a deterministické časování.

Odvětví, která využívají oba typy systémů.

Automobilové elektronické nástroje.

Aplikace robotiky.

Průmyslové digitální nástroje.

Profesionální elektronická zařízení.

Pokročilé interakční systémy.

Tabulka preferencí průmyslu

Závěr

Volba mezi FPGA a mikrořadičem je vlastně volbou mezi překonfigurovatelným hardwarem a efektivním řízením s pevnou funkcí. FPGA jsou nejvhodnější, pokud potřebujete stejné zpracovatelské schopnosti, integrovaný obvod, přizpůsobitelnost zařízení, individuální časování a zpracování dat vysokou rychlostí. Mikrořadiče jsou nejvhodnější, pokud vyžadujete nízkou spotřebu energie, cenovou dostupnost a jednodušší vývoj pro řídicí vestavěné systémy.

Žádná z těchto možností není obecně lepší. Nejvhodnější volba závisí na vašem projektu, rozpočtu, cílových výkonových parametrech a omezeních týkajících se tištěných spojovacích desek (PCB). Pokud váš výrobek vyžaduje základní řadič, je obvykle vhodnější volbou mikrořadič. Pokud vyžaduje specializovanou logiku nebo intenzivní zpracování dat, je obvykle silnější volbou FPGA. Pokud je váš projekt pokročilý, nejvhodnější řešení může být kombinace obou prvků společně na jedné desce.

Nejčastější dotazy

Jaké jsou rozdíly mezi FPGA a mikrokontrolérem?

FPGA je překonfigurovatelné zařízení, které provádí paralelní zpracování. Mikrokontrolér je pevný procesor, který spouští firmwar pro sekvenční řídicí úkoly.

Může FPGA nahradit mikrokontrolér?

Často ano, ale ne vždy. FPGA dokáže zvládnout některé řídicí úkoly, avšak obvykle není nejefektivnější volbou pro jednoduché aplikace s nízkou spotřebou energie.

Mohou FPGA a mikrokontrolér spolupracovat?

Ano. Různé systémy využívají MCU pro řízení a FPGA pro zpracování informací vysokou rychlostí nebo pro zrychlení hardwaru.

Je FPGA lepší než mikrokontroléry?

Ne vždy. FPGA je lepší pro složité, paralelní a výkonné úkoly. Mikrokontroléry jsou lepší pro jednoduché, levné a nízkoenergetické aplikace.

Co je lepší pro vestavěné systémy?

Záleží na konkrétní aplikaci. Pro jednoduché řízení použijte mikrokontrolér. Pro logiku vysoké rychlosti nebo specializované zpracování využijte FPGA.