FPGA vs mikrokontroller: peamised erinevused ja sarnasused

FPGA vs mikrokontroller: peamised erinevused ja sarnasused

FPGA-d ja mikrokontrollere: peamiste erinevuste mõistmine

Sisukord

• Sissejuhatus
• Mis on FPGA?
• Mis on mikrokontroller?
• FPGA-d ja mikrokontrollere: peamised erinevused
• FPGA vs mikrokontroller: peamised sarnasused
• Kas teie trükkplaadil (PCB) tuleks kasutada FPGA-d või mikrokontrollerit?
• FPGA ja mikrokontroller: Kas neid saab kasutada koos?
• Mikrokontroller ja FPGA: Eelistatud rakendused tööstusharus
• Kohustuslik väljaandmine
• KKK-d

Intro

Valik FPGA ja mikrokontroller vahel on üks olulisemaid otsuseid süsteemides, kus on tarkvara ja riistvara tihedalt integreeritud, ja PPI disain . Valitud protsessor mõjutab jõudlust, võimsustarvet, kiirust, arendusaja pikkust ning ka seda, kuidas teie trükkplaat tuleb paigaldada. Mitmesugustes projektides määrab see valik terve toote. FPGA  (FPGA) võimaldab võimsat paralleelset töötlemist ja suurt paindlikkust, samas kui mikrokontroller pakub lihtsat ja tõhusat süsteemi süsteemidele, millel on kontrolliorienteeritud rakendused.

Üldiselt on erinevus järgmine: FPGA on ümberkonfigureeritav seade, samas kui mikrokontroller on ühekihiline arvutisüsteem, mis on loodud järjestikuse käskluse täitmiseks. See tähendab, et FPGA-d valitakse tavaliselt siis, kui on vaja kohandatud loogikat, kiiret andmetöötlust või riistvaralise kiiruse saavutamist. Mikrokontrollerit valitakse sageli siis, kui on vaja väiksemat võimsustarvet, madalamat hinda ja palju lihtsamat mikrokontrolleri kasutusviisi. Mõlemat kasutatakse laialdaselt süsteemidele sisseehitatud elektroonikaseadmete projekteerimisel, kuid need lahendavad erinevaid probleeme.

See kontrast tuleneb asjaolust, et kaasaegsed seadmed on palju keerukamad kui kunagi varem. Seadmed peavad võib-olla suutma tuvastada teisi seadmeid, ühenduda Etherneti või konteineri bussi kaudu, töödelda videot, käivitada reaalajas juhtimislahkusid ning korraga hõlmata ka võimsuse haldamist. Paljudel juhtudel piisab mikrokontrollerist. Teistel juhtudel sobib paremini FPGA. Tänapäevastes keerukates süsteemides võivad mõlemad koos sama plaadil töötada, et tasakaalustada juhtimist, maksumusse ja tõhusust.

Kiire tõde

Praktiline näide

Visualiseerige loomingulise kaamera loomist. Kui seade peab lihtsalt nuppe hindama, andurit juhtima ja probleemite teateid edastama, võib piisada mikrokontrollerist. Kui aga kaameralt oodatakse kõrgkiirustega videotöötlust, kõrget jõudlust, reaalajas pildiparandust või tehisintellekti põhjendamist, siis on FPGA tõenäoliselt palju parem valik, sest see suudab paralleelselt hoolitseda mitme ülesande eest väga väikese viivitusega. Selliseid kompromisse teevad disainerid igapäevaselt digitaalsete seadmete prototüüpimisel ja asjade arendamisel.

FPGA määratlus ?

FPGA ehk välja kujundatav programmeeritav väravloogika (Field-Programmable Gate Array) on programmile suhtes programmeeritav arvutusseade, mis võimaldab disaineritel määrata seadme funktsioonid pärast seda, kui kiip on juba toodetud. See on FPGA-programmeerimise põhiline idee: asemel, et kirjutada tarkvara, mis töötab fikseeritud protsessoril, loodakse tegelikult ise riistvara, et täita konkreetne ülesanne. Selle tõttu erineb FPGA oluliselt mikrokontrollerist. Mikrokontroller täidab käske järjest, samas kui FPGA võimaldab paralleelset töötlemist ja saab samaaegselt teha mitmeid operatsioone.

FPGA on arendatud suurest ruudustikust programmeeritavaid loogikakomponente, ühendusressursse ja sisend-väljundplokke. Üheks levinumaks ehituskomponendiks on konfigureeritavad loogikaplokid (CLB), otsingutabelid (LUT), flip-flopid (FF), multipleksorid ja programmeeritavad ühendused. Need komponendid töötavad koos elektroonilise loogika täitmiseks, ajastusfunktsioonide elluviimiseks, suhtluse kasutajaliideste ja kohandatud juhtsüsteemide jaoks. Paljud kaasaegsed FPGA-seadmed sisaldavad samuti sügavas paigutuses asuvaid mäluablokke, DSP-plokke ja transceivereid kiiremate liideste jaoks, näiteks PCIe, Ethernet või videoklipi veebilingid. Selle tõttu kasutatakse FPGAsid sageli kõrgtoimelistes arvutites, signaalitöötluslahendustes ja FPGA-rakendustes, kus nõutakse tegelikult väiksemat viivitust.

Erinevalt mikroprotsessorist on FPGA tavaliselt programmeeritud HDL-keeltes, nagu VHDL või Verilog. Need ei ole tavalises mõttes tarkvararakenduste keeled. Need on seadmete kirjelduskeeled, mis määratlevad loogikasisendeid, ajastust, andmete teid, elektrooniliste signaalide töötlemist ja olekukäitumist. Seetõttu nimetatakse FPGA arendust tavaliselt riistvaratasemel programmeerimiseks või loogikakujunduseks. Insenerid ei ütle FPGA-le, mida see peab tegema, vaid kirjeldavad, kuidas seade tuleb loogikatasemel ehitada ja ühendada. See toimib, kuid muudab arendust ka palju keerulisemaks kui mikrokontrollerite programmeerimine.

Põhikomponendid FPGA-s

Miks insenerid kasutavad FPGA-sid

FPGAd valitakse siis, kui töö nõuab:

Identset arvutust

Seadme kiirust

Ümberkonfigureeritav riistvara

Eriliselt väikest viivitust

Kohandatud kasutajaliideseid

Kiire prototüüpimine

Skaleeruvat tõhusust

Näiteks arvutisüsteemi nägemises, pilditöötlussüsteemides ja videosignaalide töötlemises saab FPGA samaaegselt täpsustada mitmeid pikseleid või andmavoo. Kaubanduslikus automaatikas saab see täita kõrgkiirusega juhtimisloogikat deterministliku ajastusega. Telekommunikatsiooniseadmetes saab see täpsustada andmavooge kõrgete kiirustega ilma ootamata, et CPU lõpetaks üksikud käsklustsükli. Selle kontrollitaseme tõttu kasutatakse FPGAsid sageli kosmosetehnika PCB-de monteerimisel, edenevates seadmetes ja süsteemides, millel ei ole lubatud ajastuskindluse puudumist.

Miks insenerid kasutavad FPGA-sid

Mikrokontroller, tavaliselt nimetatakse seda MCU-ks, on ühel kiibil asuv väike arvutisüsteem, mille eesmärk on täita sisseehitatud juhtimisülesandeid. See sisaldab tavaliselt CPU-d, mälu ja perifeeriaid, nagu ajutajad, analoog-digitaalteisendajad (ADC), interaktsiooniliidesed ja programmeeritavad sisend-väljundid (I/O) ühes komplektis. Erinevalt FPGA-st ei konfigureeri mikrokontroller ise seadmeid uuesti. Selle asemel käivitab see sisseehitatud tarkvararakendust või firmware’i, mis teatab kiibile täpselt, kuidas tegutseda. Seetõttu on mikrokontrollerite arendus tavaliselt lihtsam õppida kui FPGA arendus.

Mikrokontrollerid on toodetud sügavasüsteemsete seadmete juhtimise ja reaalajas sisseehitatud rakenduste jaoks, kus eesmärk on lugeda sisendeid, teha otsuseid ja tõhusalt juhtida tulemusi. Nad domineerivad tarbijatoodetes, tööstuslikus automaatikas, kanduvates seadmetes, koduseadmetes, autoelektronikas ja IoT-seadmetes. Neid hinnatakse eriti mikrokontrollerite tõhususe, mikrokontrollerite hinna ja väiksema energiatarbimise poolest. Kui teie projekteerimisega kaasneb standardne, turvaline ja majanduslik juhtimine, on mikrokontroller (MCU) tavaliselt esimene valik.

Paljud MCU-d põhinevad arhitektuuridel nagu RISC-arhitektuur, ARM-mikrokontrollerituumad või mitmed teised sügavasüsteemsete protsessorite perekonnad. Mikrokontrollerite peamised klassifikatsioonid on 8-bitised, 16-bitised ja 32-bitised mudelid. . Neid programmeeritakse tavaliselt keeltes nagu C-programmid, C++-sisseehitatud programmid või muud tarkvaraseadmed. Mitmes süsteemis haldavad nad andmete kogumist, suhtlust, toitekonfiguratsioone ja liideseid, kasutades äärmiselt väikest energiakulu.

Tuumikmikrokontrolleri komponendid

Miks insenerid kasutavad mikrokontrollereid

Mikrokontrollerid on eelistatud, kuna need on:

Odavad mikrokontrollerid tootmiseks

Lihtne integreerida otse PCB-sse paigaldamiseks

Tõhusad akuga toitetud seadmete jaoks

Lihtsam silumine võrreldes FPGA-dega

Suured mikrokontrollerite rakendused juhtimise ja jälgimise valdkonnas

Hea madalavoolulisemate rakenduste ja igapäevaste elektroonikaseadmete jaoks

Tüüpilised mikrokontrolleri rakendused

Targad koduseadmed

Koduarved

Kandvate elektroonsete seadmete juhtsüsteemid

Autotööstuse elektroonikaseadmed

Tööstuslikud juhtsüsteemid

Tundurite ühikusõlmed

Mobiilsed elektroonikaseadmed

Tarbijaelektroonika

Peamised mikrokontrolleri eelised

Põhimõtteline mikrokontrolleri tarkvara

Vähendatud energiatarve

Minimeeritud hind võrreldes FPGA-ga

Lihtne toota

Mobiilne mõõtmine

Tugev pindala toetus ja seadme pindala

Peamised mikrokontrolleri piirangud

Piiratud paralleelne töötlemine

Ei sobi ideaalselt kohandatud tööriistade kiirendamiseks

Palju vähem kohandatav kui FPGA riistvara

Võib olla raskeid probleeme väga kõrgkiirusliku või väga spetsialiseeritud tööga

FPGA-d ja mikrokontrollere: peamised erinevused

Parimad FPGA ja mikrokontrolleri erinevused puudutavad eelkõige disaini, töötluskonstruktsiooni, paindlikkust ja arendusviisi. FPGA on ümberkonfigureeritav riistvara, samas kui mikrokontroller on kindla CPU, mis käivitab tarkvara. See üks erinevus mõjutab praktiliselt kõike muud, mis puudutab nende tööpõhimõtet, programmeerimist ning nende paigutust trükkplaadile.

Riistvaraline arhitektuur

FPGA on ehitatud loogikarakendustest, programmeeritavatest ühendustest ja konfigureeritavatest plokkidest, mida saab kasutada kohandatud elektrooniliste ahelate loomiseks. Mikrokontroller on täielik keskprotsessor, mille disain on ette antud. Sisemist struktuuri mikrokontrolleris ei saa muuta nagu FPGA-d. Saab muuta ainult selle tarkvara. See tähendab, et FPGA võib muutuda peaaegu mis tahes digitaalseks ahelaks, samas kui mikrokontroller jääb samaks ja täidab lihtsalt erinevat koodi.

Töötlemismudel

FPGA teeb paralleelset töötlemist. Paljud loogikaprotsessid saavad käivituda samaaegselt. Mikrokontroller teeb järjestikulist töötlemist, kus käskude täitmine toimub ükshaaval, isegi kui osa tööst on katkestusjuhtimisega või haldab seda mitu tuuma. See teeb FPGAd eriti tugevaks kõrgkiiruselise andmetöötlemise ja kohandatud, ajasensitiivsete süsteemide jaoks.

Programmeerimisstiil

FPGA programmeerimiseks kasutatakse HDL-keeli, näiteks Verilog ja VHDL.

Mikrokontrollerid kasutavad tarkvararakenduste programmeerimiskeeles nagu C ja C++.

Võimsus ja hind

Mikrokontrollerid tarbivad tavaliselt palju vähem energiat ja on odavamad. FPGA-d nõuavad üldiselt palju rohkem energiat, kuna nad on loodud paindliku loogika ja kõrgkiirusel töötlemisel. Kompromiss on see, et FPGA-d suudavad toime tulla keerukamate jõudlustüüpi ülesannetega.

Võrdlusetabel

FPGA vs mikrokontroller: peamised sarnasused

Kuigi nad on sisuliselt erinevad, jagavad FPGA ja mikrokontrollerisüsteemid mõningaid olulisi sarnasusi. Mõlemat kasutatakse süsteemides sisseehitusega, mõlemat saab paigaldada trükitud printplaadile ja mõlemal on võimalik suhelda reaalse maailma sisendite ja väljunditega. Lihtsalt öeldes on need mõlemad tööriistad süsteemide sisseehitusega arvutilahenduste loomiseks.

Ühised sarnasused

Mõlemad on programmeeritavad.

Mõlemat kasutatakse süsteemide sisseehitusega riistvara arendamisel.

Mõlemad suudavad hallata andureid, sidet ja aktuaatoreid.

Mõlemad toetavad reaalajas töötlemist.

Mõlemat kasutatakse elektroonikatootmises.

Mõlemad võivad olla süsteemi-ühe-pihiklassi (SoC) valikute või hübriidsete sisseehitatud süsteemide osaks.

Ühised rollid tootes

Nii FPGA kui ka MCU võivad:

Ülevaade andurite teabest.

Reguleerida tulemusi.

Suhelda kommunikatsioonibusside kaudu.

Aidata jälgida süsteemi ajastust.

Töötada elektrooniliste juhtimissüsteemide sees.

Kas teie trükkplaadil (PCB) tuleks kasutada FPGA-d või mikrokontrollerit?

Vastus sõltub teie süsteemi eesmärkidest, eriti trükkplaadi kujundusest ja trükkplaadi vormingust. CPU valik mõjutab pinne arvu, signaalide paksust, võimsuse jaotust, soojuslahendust, hinda ning samuti trükkplaadi kihtide arvu. Seetõttu tuleb sisseehitatud süsteemi CPU võrdlus teha varakult tootearenduse protsessis, mitte pärast seda, kui trükkplaat on juba valmis.

Millal on mikrokontrolleri kasutamine loogilisem

Valige MCU, kui teil on vaja:

Odavat lahendust.

Vähendatud võimsust.

Lihtsamat süstemaatilise seadme juhtimist.

Väikest füüsilist mõju.

Lihtsat tarkvaralise firmware'i arendamist.

Lihtsat andurite ühendamist.

Millal on FPGA mõistlikum valik

Valige FPGA, kui teil on vaja:

Kõrgkiiruselist arvutamist.

Samasugused protseduurid.

Isikupärastatud liides.

FPGA kiirus.

Keeruline ajastuse juhtimine.

Tööriistade ümberkonfigureerimine.

Palju suurem läbilaskevõime kui tarkvaraprotsessor võib pakkuda.

FPGA-sid kasutatakse tavaliselt telekommunikatsioonisüsteemides, kaubanduslikus automaatikas, signaalitöötluslahendustes ja täppistööriistades.

PCB disaini kaalutlused FPGA-de jaoks

FPGA-plaadid nõuavad tavaliselt:

BGA-pakendit.

HDI PCB suunamine.

Mikroviaad.

Ettevaatlik signaalistabiilsus.

Stabiilne toitevoolu usaldusväärsus.

Täiustatud soojusvalmistus.

Suurem kihtide arv koos kihistustega.

PCB disaini kaalutlused mikrokontrollerite jaoks

MCU-plaatide tootmine on tavaliselt lihtsam, sest:

Pinnide arv on vähenenud.

Toitepistikud on lihtsamad.

Tiheduse ülekanne on eriti mugav.

Plaadi kihtide paigutus võib tavaliselt olla palju lihtsam.

Praktiline võrdlus PCB-konstrueerijatele

FPGA ja mikrokontroller: Kas neid saab kasutada koos?

Jah – ja mitmes täiustatud süsteemis seda ka tehakse. Ristkülvatud arhitektuur on tavaliselt kõige targem viis ühendada mõlema kaasaegse tehnoloogia stabiilsus. Mikrokontroller haldab üldist juhtimist, interaktsiooni ja tarkvaratooteid, samas kui FPGA teeb andmekauplemisega või ajastuslikult kriitilisi protseduure. See on tavapärane näide riist- ja tarkvarakoostamisest.

Miks hübriddisainid töötavad hästi

Mikrokontroller sobib hästi:

Käivitus ja süsteemi käivitumine.

Sensorite jälgimine.

Liides.

Meetodite töötlemine.

Väikese võimsusega juhtimine.

FPGA on eriliselt sobiv järgmisteks:

Sama andmetöötlus.

Reaalajas signaalitöötlus.

AI kiirus.

Videoklipi töötlus.

Isikupärastatud interaktsiooniaeg.

Hübriidsüsteemi eelised

Palju parem tõhususe stabiilsus.

Väiksem oht kui sundida ühte kiipi tegema kõike.

Palju lihtsam ülesannete jagamine.

Hea skaalatavus.

Silikoonvarustuse kasutamine on palju usaldusväärsem.

Tavalised hübriidrakendused

Mikrokontroller ja FPGA: Eelistatud rakendused tööstusharus

Paljud turud valivad erinevaid protsessooreid oma murekohtade põhjal. Mõned keskenduvad eelkõige kuludele ja lihtsusele. Teised pööravad suuremat tähelepanu kiirusele ja deterministlikele tööriistade toimingutele. Seetõttu kogunevad FPGA-rakendused ja mikrokontrollerirakendused tavaliselt turu järgi.

Tööstusharud, kus eelistatakse sageli mikrokontrollereid

Mikrokontrollereid eelistatakse tavaliselt järgmistes valdkondades:

Kasutajate digitaalsed seadmed.

Kannatavad elektroonikaseadmed.

Elektroonikarahast.

Odavad IoT-seadmed.

Mobiilsed elektroonilised tööriistad.

Põhilised kaubanduslikud juhtimissüsteemid.

Need tooted nõuavad tavaliselt väikest mõõtu, väiksemat võimsustarvet ja odavat tootmist.

Tööstusharud, kus FPGA-sid sageli eelistatakse

FPGA-sid eeldatakse tavaliselt:

Aerokosmose rakendused.

Telekommunikatsiooni seadmed.

Kõrgkiirusega mõõteriistad.

Täiustatud kliiniline pildistus.

Kaitsevaldkonna elektroonikaseadmed.

Arvutisüsteemi nägemissüsteemid.

Tööstuslikud elektrimootorite juhtimissüsteemid keerukate ajastusskeemadega.

Need sektorid nõuavad üldiselt kõrgtoimivaid süstitud süsteeme, kohandatud loogikat ja deterministlikku ajastust.

Mõlemat kasutavad tööstusharud

Autotööstuse elektroonilised tööriistad.

Robootikarakendused.

Tööstuslikud digitaalsed tööriistad.

Professionaalsed elektroonilised seadmed.

Täiustatud interaktsioonisüsteemid.

Tööstusharu eelistustabel

Kohustuslik väljaandmine

FPGA ja mikrokontrolleri valik on tegelikult valik rekonfigureeritava riistvara ja tõhusa fikseeritud funktsiooniga juhtimise vahel. FPGA-d on parimad, kui vajate sama töötlusvõimet, integreeritud ahelat, seadme paindlikkust, kohandatud ajastust ja kiirkäigulist andmetöötlust. Mikrokontrollereid kasutatakse parimalt siis, kui vajate väiksemat võimsustarvet, kuluefektiivset lahendust ja lihtsamat arendust juhtimisorienteeritud süsteemides.

Mõlemad ei ole tavaliselt palju paremad. Suurepärane valik sõltub teie tööst, investeerimiskavast, jõudluse eesmärkidest ja PCB-piirangutest. Kui teie toode vajab lihtsat kontrollerit, on mikrokontroller tavaliselt parem lahendus. Kui see nõuab kohandatud loogikat või suurte andmehulkade töötlemist, on FPGA tavaliselt tugevam valik. Kui teie projekt on keerukas, võib parim alternatiiv olla mõlema kooskäigus ühel ja samal plaadil.

KKK-d

Mis on erinevused FPGA ja mikrokontrolleri vahel?

FPGA on ümberkonfigureeritav riistvara, mis toetab paralleelset töötlust. Mikrokontroller on fikseeritud CPU, mis käivitab järjestikuseid juhtimisülesandeid täitvat tarkvarat.

Kas FPGA saab asendada mikrokontrolleri?

Sageli, kuid mitte alati. FPGA suudab teha mõningaid juhtimisülesandeid, kuid see pole tavaliselt kõige tõhusam valik lihtsatele ja väikese energiatarbega rakendustele.

Kas FPGA ja mikrokontroller saavad omavahel suhelda?

Jah. Erinevad süsteemid kasutavad juhtimiseks MCU-d ja kõrgkiiruslikuks teabe töötlemiseks või seadme kiiruseks FPGA-d.

Kas FPGA on palju parem kui mikrokontrollerid?

Ei alati. FPGA on parem lihtsate, paralleelsete ja kõrgtoimivuste ülesannete jaoks. Mikrokontrollerid on paremad lihtsate, odavate ja väikese energiatarbega rakenduste jaoks.

Mis on parem süsteemidele sisestatud tarkvarale?

See sõltub rakendusest. Lihtsaks juhtimiseks kasutage mikrokontrollerit. Kõrgkiiruslikuks arvutamiseks või kohandatud töötlemiseks kasutage FPGA-d.