FPGA versus mikrocontroller: Nøgleforskelle og ligheder

FPGA versus mikrocontroller: Vigtige forskelle og ligheder

FPGA'er og mikrocontrollere: Forstå de væsentligste forskelle

Indholdsfortegnelse

• Introduktion
• Definition af FPGA?
• Hvad er en mikrokontroller?
• FPGA'er og mikrocontrollere: Vigtige forskelle
• FPGA versus mikrocontroller: Vigtigste ligheder
• Skal du bruge en FPGA eller en MCU på din printplade?
• FPGA og mikrocontroller: Kan de bruges sammen?
• Mikrocontroller og FPGA: Foretrukne anvendelser efter branche
• Konklusion
• Fælles spørgsmål

Indledning

At vælge mellem en FPGA og en mikrocontroller er en af de mest afgørende beslutninger i indlejrede systemer og PCB-design . Den CPU, du vælger, påvirker ydeevnen, strømforbruget, prisen, udviklingstiden og også, hvordan din kredsløbsplade skal udlægges. I mange projekter bestemmer denne beslutning hele produktet. En FPGA  (FPGA) kan levere kraftfuld parallel behandling og stor fleksibilitet, mens en mikrocontroller leverer en simpel, effektiv indlejret computer til applikationer med fokus på styring.

På et højt niveau er forskellen denne: En FPGA er omkonfigurerbar udstyr, mens en mikrocontroller er et enfaset computersystem, der er konstrueret til sekventiel instruktionsafvikling. Det betyder, at en FPGA normalt vælges, når man har brug for tilpasset logik, hurtig databehandling eller hardwarehastighed. En mikrocontroller vælges ofte, når man kræver lavere strømforbrug, lavere pris og en langt mere simpel mikrocontroller-løsning. Begge anvendes bredt i design af indlejrede elektroniske værktøjer, men de løser forskellige problemer.

Denne kontrast skyldes, at moderne ting er langt mere komplekse end nogensinde før. Enheder må muligvis håndtere detektion af andre enheder, oprette forbindelse via Ethernet eller containerbus, behandle videoer, køre realtidsstyringsløkker og samtidig håndtere strømstyring. I mange tilfælde er en mikrocontroller tilstrækkelig. I andre tilfælde er en FPGA langt bedre egnet. Og i avancerede systemer kan begge arbejde sammen på samme kreds til at optimere styring, pris og effektivitet.

Korte fakta

Et praktisk eksempel

Forestil dig udviklingen af en kreativ kamera. Hvis enheden kun skal evaluere knapper, styre en sensor og sende fejlmeddelelser, kan en mikrocontroller være tilstrækkelig. Men hvis kameraet skal udføre højhastighedsvideobehandling, have høj ydeevne, realtidsbilledforbedring eller AI-baseret ræsonnering, kan en FPGA være et langt bedre valg, da den kan håndtere mange opgaver parallelt med meget lav latens. Dette er den type afvejning, som designere dagligt står over for ved prototyping af digitale værktøjer og udvikling af ting.

Definition af FPGA ?

En FPGA (Field-Programmable Gate Array) er en type programmerbar logikenhed, der giver designere mulighed for at definere kredsløbets funktioner efter, at chippen allerede er fremstillet. Det er den grundlæggende idé bag FPGA-programmering: i stedet for at skrive software, der kører på en fast CPU, udvikler man selve hardwaren til at udføre en bestemt funktion. Dette gør en FPGA væsentligt forskellig fra en mikrocontroller. En mikrocontroller udfører normalt instruktioner sekventielt, mens en FPGA kan udføre flere operationer samtidigt ved hjælp af parallell behandling.

En FPGA udvikles fra et stort gitter af programmerbare logikkomponenter, transmissionsressourcer og I/O-blokke. En af de mest almindelige byggeblokke består af konfigurerbare logikblokke (CLB), slå-op-tabeller (LUT), kipper (FF), multiplexere og programmerbare forbindelser. Disse komponenter fungerer sammen til at udføre elektronisk logik, tidsstyring, kommunikationsgrænseflader og brugerdefinerede styresystemer. Utallige moderne FPGA-enheder indeholder ligeledes integrerede hukommelsesblokke, DSP-blokke og transceivere til hurtige grænseflader som PCIe, Ethernet eller videoklipsforbindelser. Som resultat heraf anvendes FPGAs ofte i højtydende computere, signalbehandlingsapplikationer og FPGA-applikationer, der kræver faktisk lavere ventetid.

I modsætning til en mikroprocessor konfigureres en FPGA normalt med HDL-programmeringssprog såsom VHDL eller Verilog. Disse er ikke softwareapplikationssprog i den sædvanlige forstand. De er hardwarebeskrivelsessprog, der definerer logiske porte, tidsforhold, datapathes, elektronisk signalbehandling og tilstandsadfærd. Derfor kaldes FPGA-udvikling normalt for hardwareniveau-programmering eller logisk design. Ingeniører fortæller ikke FPGA’en, hvad den skal gøre trin for trin. I stedet beskriver de, hvordan udstyret skal bygges op og kobles sammen på logisk niveau. Det virker, men det gør udviklingen desuden langt mere udfordrende end mikrocontrollerprogrammering.

Kerneprogrammerbare logikblokke (FPGA)

Hvorfor ingeniører bruger FPGAs

FPGAs vælges, når et arbejde kræver:

Identisk beregning

Udstyrsrate

Genkonfigurerbar hardware

Ekstremt lav latens

Brugerdefinerede brugersammenhænge

Hurtig prototypering

Skalerbar effektivitet

For eksempel kan en FPGA i computervision, billedbehandlingssystemer og videosignalbehandling forbedre en række pixelværdier eller datastrømme samtidigt. I kommercielle automatiseringssystemer kan den håndtere højhastighedsstyringslogik med deterministisk tidsstyring. I telekommunikationsudstyr kan den finjustere informationsstrømme med høj hastighed uden at vente på, at en CPU fuldfører enkelte instruktionscyklusser. Denne grad af kontrol er en af årsagerne til, at FPGAs ofte anvendes i luft- og rumfartens PCB-montage, avancerede måleudstyr og indlejrede systemer, som ikke kan tillade usikkerhed i tidsstyringen.

Hvorfor ingeniører bruger FPGAs

En mikrocontroller, typisk kaldet en MCU, er et lille computersystem på én enkelt chip, der er konstrueret til indlejrede styringsopgaver. Den indeholder normalt en CPU, hukommelse og perifere enheder som tællere, ADC’er, interaktionsbrugergrænseflader og programmerbare I/O-enheder i én samlet enhed. I modsætning til en FPGA genkonfigurerer en mikrocontroller ikke selv sine enheder. I stedet kører den indlejret software eller firmware, der præcis angiver, hvordan chippen skal opføre sig. Dette er grunden til, at udvikling af mikrocontrollersystemer typisk er mindre kompliceret end FPGA-udvikling.

Mikrokontrollere fremstilles til dybt integreret enhedsstyring og realtidsindlejrede applikationer, hvor målet er at læse input, træffe beslutninger og pålideligt styre resultater. De dominerer inden for forbrugerprodukter, kommercielle kontrollere, bærbare enheder, hjemmeenheder, køretøjelektronik og IoT-enheder. De værdsættes især for deres effektivitet, lave omkostninger og reduceret strømforbrug. Hvis din konstruktion kræver standardiseret, sikker og økonomisk styring, er mikrokontrolleren (MCU) typisk det første valg.

Mange MCUs er baseret på arkitekturer såsom RISC-arkitektur, ARM-mikrokontrollerkerner eller adskillige andre indlejrede processorfamilier. De almindelige klassifikationer af mikrokontrollere er 8-bit-, 16-bit- og 32-bit-modeller. . De programmeres normalt ved hjælp af sprog som C-programmering, indlejret C++-programmering eller andre firmwareværktøjer. I en række systemer håndterer de sensorindgange, kommunikation, strømkonfigurationer og grænseflader, mens de bruger ekstremt lidt strøm.

Kernemikrocontrollerkomponenter

Hvorfor ingeniører bruger mikrokontrollere

Mikrokontrollere foretrækkes på grund af følgende fordele:

Billige mikrokontrollere til produktion

Let at integrere direkte i PCB-opbygning

Effektive til batteridrevne enheder

Simplere at fejlfinde sammenlignet med FPGA'er

Udmærkede til mikrokontrollerapplikationer inden for styring og overvågning

God til lavenergiapplikationer og daglige elektroniske enheder

Typiske mikrokontrollerapplikationer

Smarte hjemmegadgets

Husholdningsapparater

Styringssystemer til bærbare elektroniske enheder

Automobil-elektronik

Industrielle styresystemer

Følesensor-enhedsnoder

Mobile elektroniske enheder

Forbrugerelektronik

Hovedmikrocontrollerens fordele

Grundlæggende mikrocontroller-firmware

Reduceret strømforbrug

Reduceret pris i forhold til en FPGA

Let at producere

Mobil måling

Fast områdestøtte og enhedsområde

Hovedmikrocontrollerbegrænsninger

Begrænset parallel behandling

Ikke ideel til acceleration af skræddersyrede værktøjer

Langt mindre tilpasningsdygtig end FPGA-hardware

Kan have svært ved virkelig højhastigheds- eller meget specialiseret arbejde

FPGA'er og mikrocontrollere: Vigtige forskelle

De bedste forskelle mellem FPGA og mikrocontroller handler om design, behandlingsdesign, fleksibilitet og udviklingsmetode. En FPGA er genkonfigurerbar hardware, mens en mikrocontroller er en fast CPU, der kører software. Den enkelte forskel påvirker næsten alt andet vedrørende, hvordan de fungerer, hvordan de programmeres og hvordan de integreres i et printkortlayout.

Hardware-arkitekturen

En FPGA er bygget af logikceller, programmerbare interconnects og konfigurerbare blokke, der kan opsættes direkte til brugerdefinerede elektroniske kredsløb. En mikrocontroller er en komplet CPU med en dedikeret konstruktion. Du kan ikke ændre den indre struktur af MCU'en på samme måde, som du kan konfigurere en FPGA. Du kan kun ændre dens firmware. Det betyder, at en FPGA kan blive næsten ethvert digitalt kredsløb, mens en MCU forbliver den samme og udfører blot forskellige programmer.

Behandlingsmodel

En FPGA udfører parallell behandling. Mange logikveje kan køre samtidigt. En mikrocontroller udfører sekventiel behandling, hvor instruktioner udføres én efter én, selvom nogle opgaver er afbrudsdrevne eller håndteres af flere kerner. Dette gør FPGAs særligt velegnede til højhastighedsdatabehandling og brugerdefinerede tidsfølsomme systemer.

Programmeringsstil

FPGA-programmering bruger HDL-sprog som Verilog og VHDL.

Mikrocontroller viser bruger af softwareprogramapplikationssprog som C og C++.

Strømforbrug og omkostninger

Mikrocontrollere forbruger typisk langt mindre strøm og er billigere. FPGA’er kræver generelt meget mere strøm, da de er designet til fleksibel logik og behandling med høj hastighed. Kompromisset er, at FPGA’er kan håndtere mere komplekse ydelseskrav.

Sammenligningstabel

FPGA versus mikrocontroller: Vigtigste ligheder

Selvom de faktisk er forskellige indbyrdes, deler FPGA- og mikrocontrollersystemer nogle afgørende ligheder. Begge bruges i indlejrede systemer, begge kan monteres på et printet kredsløbskort, og begge kan kommunikere med virkelige input og output. Med andre ord er de begge værktøjer til udvikling af indlejrede computersystemløsninger.

Fælles ligheder

Begge er programmerbare.

Begge anvendes i udviklingen af indlejret udstyr.

Begge kan håndtere sensorer, kommunikation og aktuatorer.

Begge understøtter realtidsbehandling.

Begge bruges i elektronikfremstilling.

Begge kan indgå i system-on-chip-løsninger eller hybride indlejrede systemer.

Fælles roller i et produkt

Både FPGA og MCU kan:

Gennemgå information fra følesystemet.

Styre resultater.

Kommunikere med kommunikationsbusser.

Hjælpe med at sikre systemets tidsstyring.

Køre inden for elektroniske styresystemer.

Skal du bruge en FPGA eller en MCU på din printplade?

Besvarelsen afhænger af dine systemmål, især ved PCB-design og PCB-format. CPU-valg påvirker antallet af ben, signaltykkelse, strømforsyning, varmeudvikling, pris samt antallet af lag på brættet. Derfor skal sammenligningen af indlejrede system-CPU'er foretages tidligt i produktudviklingen, ikke efter at brættet allerede er fremstillet.

Når en mikrocontroller giver mere mening

Vælg en MCU, når du har brug for:

Billig.

Reduceret effekt.

Simplere styring af indlejrede enheder.

Lille fysisk påvirkning.

Let firmware-opgradering.

Ukomliceret sensorkommunikation.

Når en FPGA giver mere mening

Vælg en FPGA, når du har brug for:

Højhastighedsbehandling.

Identiske procedurer.

Brugerdefineret grænseflade.

FPGA-hastighed.

Kompleks tidsstyring.

Værktøjsomkonfiguration.

Langt bedre datahastighed end en softwareprocessor kan levere.

FPGA’er bruges typisk i telekommunikationssystemer, kommercielle automatiseringssystemer, signalbehandlingsapplikationer og avanceret instrumentering.

PCB-designovervejelser for FPGA’er

FPGA-kort kræver typisk:

BGA-pakker.

HDI-PCB-rutning.

Mikroboringer.

Forsigtig signalstabilitet.

Solid strømforsyningens troværdighed.

Avanceret termisk forberedelse.

Større antal lag i lagopbygning.

PCB-designovervejelser for mikrocontrollere

MCU-kort er normalt mindre komplicerede at fremstille, fordi:

Antallet af pindesammenhænge er reduceret.

Strømforsyningsrails er mindre komplicerede.

Overførselsdensiteten er mere praktisk.

Kortlagopbygningen kan normalt være betydeligt mindre kompliceret.

Praktisk sammenligning for PCB-designere

FPGA og mikrocontroller: Kan de bruges sammen?

Ja – og i flere avancerede systemer gør de det. En hybride layout er typisk den smarteste måde at kombinere styrken i begge moderne teknologier på. Mikrocontrolleren håndterer generel kontrol, kommunikation og firmware-opgaver, mens FPGA’en håndterer datatunge eller tidskritiske processer. Dette er et almindeligt eksempel på hardware-software-samdesign.

Hvorfor hybride designe fungerer godt

En mikrocontroller er fremragende til:

Opstart og systemopstart.

Sensorovervågning.

Grænseflade.

Teknikhåndtering.

Styring med lav effort.

En FPGA er fremragende til:

Håndtering af de samme data.

Realtime-signalbehandling.

AI-hastighed.

Videohåndtering.

Personlig interaktionstidspunkt.

Fordele ved hybridsystem

Langt bedre effektivitetsstabilitet.

Mindre risiko end at tvinge én chip til at udføre alle opgaver.

Langt nemmere opdeling af opgaver.

God skalerbarhed.

Langt mere pålidelig brug af siliciumudstyr.

Almindelige hybride anvendelser

Mikrocontroller og FPGA: Foretrukne anvendelser efter branche

Talrige markeder vælger forskellige processorer ud fra deres prioriteringer. Nogle lægger størst vægt på omkostninger og enkelhed. Andre lægger størst vægt på hastighed og deterministisk udførelse af værktøjsfunktioner. Derfor er FPGA-applikationer og mikrocontroller-applikationer typisk markedsorienterede.

Industrier, der ofte foretrækker mikrokontrollere

Mikrokontrollere foretrækkes normalt i:

Kundens digitale enheder.

Bærbare enheder.

Apparater.

Billige IoT-enheder.

Mobile elektroniske værktøjer.

Grundlæggende kommercielle styresystemer.

Disse produkter kræver generelt små dimensioner, lav strømforbrug og billigt produktion.

Industrier, der ofte foretrækker FPGAs

FPGAs foretrækkes typisk i:

Luft- og rumfartsapplikationer.

Telekommunikationsværktøjer.

Højhastighedsinstrumentering.

Avanceret klinisk billeddannelse.

Forsvarsrelaterede elektroniske enheder.

Computersystemers visionssystemer.

Industrielle elektriske motorstyringsapplikationer med kompleks tidsstyring.

Disse sektorer kræver generelt højtydende indlejrede systemer, personlig ræsonnering og deterministisk tidsstyring.

Industrier, der bruger begge dele

Automotive elektroniske værktøjer.

Robotikanvendelser.

Industrielle digitale værktøjer.

Professionelle elektroniske enheder.

Avancerede interaktionssystemer.

Industriprioritetstabel

Konklusion

Valget mellem FPGA og mikrocontroller er egentlig et valg mellem genkonfigurerbar hardware og effektiv fastfunktion-styring. FPGA’er er bedst egnet, når du har brug for de samme styringsfunktioner, integreret kredsløb, udstyrsjusteringsevne, brugerdefineret tidsstyring og behandling af data ved høj hastighed. Mikrocontrollere er bedst egnet, når du har brug for lav strømforbrug, omkostningseffektivitet og en mindre kompliceret udviklingsproces til styringsfokuserede indlejrede systemer.

Ingen af delene er generelt bedre. Det optimale valg afhænger af din opgave, din investeringsplan, dine ydelsesmål og dine PCB-begrænsninger. Hvis dit produkt kræver en simpel controller, er en mikrocontroller normalt den bedste løsning. Hvis det kræver brugerdefineret logik eller intens databehandling, er en FPGA normalt den stærkere løsning. Hvis dit projekt er avanceret, kan den bedste løsning være at kombinere begge dele på samme printplade.

Fælles spørgsmål

Hvad er forskellene mellem FPGA og mikrocontroller?

En FPGA er genkonfigurerbar udstyr, der udfører parallell behandling. En mikrocontroller er en fast CPU, der kører firmware til sekventielle styringsopgaver.

Kan en FPGA erstatte en mikrocontroller?

Ofte, men ikke altid. En FPGA kan håndtere nogle styringsopgaver, men er normalt ikke det mest effektive valg til simple, lavstrømsapplikationer.

Kan FPGA og mikrocontroller samarbejde?

Ja. Forskellige systemer bruger en MCU til styring og en FPGA til højhastighedsdatabehandling eller udstyrsacceleration.

Er FPGA bedre end mikrocontrollers?

Ikke altid. FPGA er bedre til komplekse, parallele og højtydende opgaver. Mikrocontrollers er bedre til simple, billige og lavstrømsapplikationer.

Hvad er bedst til indlejrede systemer?

Det afhænger af applikationen. Brug en mikrocontroller til simpel styring. Brug en FPGA til højhastighedslogik eller brugerdefineret behandling.