FPGA vs mikro-ohjain: Tärkeimmät erot ja yhtäläisyydet

FPGA vs. mikro-ohjain: tärkeimmät erot ja yhtäläisyydet

FPGA:t ja mikro-ohjaimet: keskeisten erojen ymmärtäminen

Sisällysluettelo

• Johdanto
• Mikä on FPGA?
• Mikä on mikro-ohjain?
• FPGA:t ja mikro-ohjaimet: keskeiset erot
• FPGA vs mikro-ohjain: Tärkeimmät yhtäläisyydet
• Käyttäisitkö FPGA:ta vai mikro-ohjainta (MCU) piirilevyssäsi?
• FPGA ja mikro-ohjain: Voivatko ne käyttää yhdessä?
• Mikro-ohjain ja FPGA: Suositellut sovellukset teollisuudenaloittain
• Johtopäätös
• UKK

Johdanto

Valinta FPGA:n ja mikro-ohjaimen välillä on yksi tärkeimmistä päätöksistä upotettujen järjestelmien suunnittelussa ja PCB-suunnittelu . Valitsemasi prosessori vaikuttaa suorituskykyyn, tehonkulutukseen, kustannuksiin, kehitysaikaan sekä siihen, miten piirilevyn tulee olla suunniteltu. Monissa projekteissa tämä valinta määrittää koko tuotteen. FPGA  (FPGA) tarjoaa tehokkaan rinnakkaiskäsittelyn ja laajan sopeutuvuuden, kun taas mikro-ohjain tarjoaa yksinkertaisen ja tehokkaan upotetun tietokonejärjestelmän ohjauskeskittyneisiin sovelluksiin.

Yleisellä tasolla ero on seuraava: FPGA on uudelleenmuotoiltavissa oleva laite, kun taas mikro-ohjain on yksipiirinen tietokonejärjestelmä, joka on suunniteltu peräkkäiselle käskyjen suoritukselle. Tämä tarkoittaa, että FPGA:tä valitaan yleensä silloin, kun tarvitaan räätälöityä logiikkaa, korkean nopeuden tiedonkäsittelyä tai harmaan nopeuden saavuttamista. Mikro-ohjainta valitaan taas usein silloin, kun vaaditaan alhaisempaa virrankulutusta, halvempaa hintaa ja huomattavasti yksinkertaisempaa käyttöä. Molempia käytetään laajalti upotettujen elektronisten laitteiden suunnittelussa, mutta ne ratkaisevat eri ongelmia.

Tämä kontrasti johtuu siitä, että nykyaikaiset laitteet ovat paljon monimutkaisempia kuin koskaan aiemmin. Laitteiden saattaa olla tarpeen tarkistaa laitteiden tunnistaminen, yhdistää Ethernet-verkkoon tai konttinibusiin, käsitellä videota, suorittaa reaaliaikaisia säätöpiirejä ja hoitaa virtahallintaa samanaikaisesti. Monissa tapauksissa mikro-ohjain riittää. Toisissa tapauksissa FPGA on paljon parempi vaihtoehto. Monimutkaisissa järjestelmissä molemmat voivat toimia yhdessä samalla piirikortilla saavuttaakseen tasapainon säädön, hinnan ja tehokkuuden välillä.

Nopeat totuudet

Käytännön esimerkki

Kuvitellaan luovaa kameran suunnittelua. Jos laite tarvitsee ainoastaan arvioida painikkeita, hallita anturia ja lähettää virhetiedot, mikro-ohjain saattaa riittää. Jos kamera sen sijaan tarvitsee suorittaa korkean nopeuden videokäsittelyä, korkeaa suorituskykyä, reaaliaikaista kuvaparannusta tai tekoälypohjaista päättelyä, FPGA saattaa olla paljon parempi vaihtoehto, koska se pystyy käsittelemään useita tehtäviä rinnakkain erinomaisen vähän viiveen kanssa. Tämä on juuri sellainen kompromissi, johon suunnittelijat törmäävät päivittäin digitaalisten laitteiden prototyypityksessä ja tuotekehityksessä.

FPGA:n määritelmä ?

FPGA (Field-Programmable Gate Array) on ohjelmoitava logiikkapiiri, joka mahdollistaa suunnittelijoiden määrittää piirin toiminnallisuuden jälkeen, kun piiri on jo valmistettu. Tämä on FPGA-ohjelmoinnin perusajatus: sen sijaan, että kirjoittaisi ohjelmistoa, joka suoritetaan kiinteällä prosessorilla, suunnittelet itse laitteiston suorittamaan tietyn tehtävän. Tämä tekee FPGA:n perustavanlaatuisesti erilaisen mikrokontrollerista. Mikrokontrolleri suorittaa käskyjä sarjallisesti, kun taas FPGA voi suorittaa useita operaatioita yhtä aikaa käyttäen rinnakkaista käsittelyä.

FPGA on kehitetty valtavasta ohjelmoitavien logiikkayksiköiden, siirtoväyläresurssien ja I/O-lohkkojen ruudukosta. Yleisimmistä rakennuspalikoista muodostuvat konfiguroitavat logiikkayksiköt (CLB), hakutaulut (LUT), kiikkuja (FF), monitasoiset kytkimet (multiplexers) ja ohjelmoitavat yhteydet. Nämä komponentit toimivat yhdessä sähköisen logiikan suorittamiseen, aikataulutusten hallintaan, viestintäkäyttöliittymiin ja mukautettuihin ohjausjärjestelmiin. Lukemattomat nykyaikaiset FPGA-laitteet sisältävät myös syvälle upotettuja muistilohkoja, DSP-lohkoja ja lähetin-vastaanottimia (transceivers) nopeisiin liitännöihin, kuten PCIe:hen, Ethernetiin tai videopohjaisiin verkkoyhteyksiin. Tämän vuoksi FPGA:ita käytetään usein suorituskykyisissä tietokoneissa, signaalinkäsittelysovelluksissa ja FPGA-sovelluksissa, joissa vaaditaan todella alhaista viivettä.

Erilaisesti mikroprosessorista FPGA:ta ohjataan yleensä HDL-ohjelmointikielillä, kuten VHDL:llä tai Verilogilla. Nämä eivät ole tavallisia ohjelmointikieliä. Ne ovat laitteiston kuvauskieliä, jotka määrittelevät logiikkaportit, ajoituksen, tiedonsiirtopolut, sähköisten signaalien käsittelyn ja tilakäyttäytymisen. Siksi FPGA:n kehitystä kutsutaan yleensä laitteistotasoisiksi ohjelmoinniksi tai logiikkasuunnitteluksi. Insinöörit eivät kerro FPGA:lle, mitä sen tulee tehdä vaihe vaiheelta. He kuvaavat, miten laite tulisi rakentaa ja yhdistää logiikkatasolla. Tämä toimii, mutta tekee kehityksestä huomattavasti haastavampaa kuin mikrokontrolleriohjelmointi.

Ydinfpga-rakennuspalikat

Miksi insinöörit käyttävät FPGA:ita

FPGAt valitaan, kun työ vaatii:

Identtistä laskentaa

Laitteiston hyötysuhdetta

Uudelleenkuviteltava laitteisto

Poikkeuksellisen alhaista viivettä

Erityisesti suunniteltuja käyttöliittymiä

Nopea prototyypin tuottaminen

Laajennettavaa tehokkuutta

Esimerkiksi tietokoneen näköjärjestelmissä, kuvankäsittelyjärjestelmissä ja videosiignalien käsittelyssä FPGA voi käsitellä useita pikseleitä tai tietovirtoja samanaikaisesti. Teollisuusautomaatiojärjestelmissä se voi hoitaa korkean nopeuden ohjauslogiikkaa deterministisellä ajastuksella. Telekommunikaatiolaitteissa se voi säätää tietovirtoja korkealla nopeudella ilman, että joudutaan odottamaan, että keskusyksikkö suorittaa yksittäisiä käskykiertoja. Tämä hallintataso on yksi syy, miksi FPGAt käytetään säännöllisesti avaruusteknologian PCB-asennuksessa, edistyneissä mittauslaitteissa ja upotettuissa järjestelmissä, joissa ei voida sallia ajastuksen epävarmuutta.

Miksi insinöörit käyttävät FPGA:ita

Mikro-ohjain, jota kutsutaan yleensä myös MCU:ksi, on pieni tietokonejärjestelmä yhdessä piirisirussa, joka on suunniteltu upotettuihin ohjaustehtäviin. Siihen kuuluu yleensä keskusyksikkö (CPU), muisti ja periferialaitteita, kuten ajastimet, analogi-digitaalimuuntimet (ADC:t), käyttöliittymät ja ohjelmoitavat I/O-portit yhdessä kokonaisuudessa. Toisin kuin FPGA, mikro-ohjain ei konfiguroi laitteitaan uudelleen itse. Sen sijaan se suorittaa upotettua ohjelmistoa tai firmwarea, joka kertoo piirille tarkasti, miten sen tulee toimia. Siksi mikro-ohjainten kehitys on yleensä helpompaa oppia kuin FPGA:n kehitys.

Mikro-ohjaimet tuotetaan syväjuurtuneisiin laitelähtöisiin ohjaus- ja reaaliaikaisiin upotettuihin sovelluksiin, joiden tavoitteena on lukea syötteitä, tehdä valintoja ja ohjata tuloksia onnistuneesti. Ne ovat hallitsevassa asemassa kuluttajatuotteissa, kaupallisissa ohjaimissa, käytettävissä olevissa laitteissa, kotilaitteissa, ajoneuvoelektroniikassa ja IoT-laitteissa. Niitä arvostetaan erityisesti mikro-ohjainten tehokkuuden, mikro-ohjainten hinnan ja vähäisen virrankulutuksen vuoksi. Jos suunnittelussasi vaaditaan standardoitua, turvallista ja taloudellista ohjausta, mikro-ohjain (MCU) on yleensä ensisijainen valinta.

Monet mikro-ohjaimet perustuvat arkkitehtuureihin, kuten RISC-arkkitehtuuriin, ARM-mikro-ohjainytimiin tai muihin moniin syväjuurtuneisiin prosessoriperheisiin. Mikro-ohjainten pääluokat ovat 8-bittiset, 16-bittiset ja 32-bittiset mallit. . Niitä ohjataan yleensä kielillä, kuten C-ohjelmointikieli, C++-upotetut ohjelmat tai muut firmware-työkalut. Joissakin järjestelmissä ne hoitavat anturien lukemista, vuorovaikutusta, virransyöttöasetuksia ja liitännöitä käyttäen erinomaisen vähän sähköenergiaa.

Ydinmikro-ohjauspiirikomponentit

Miksi insinöörit käyttävät mikro-ohjaimia

Mikro-ohjaimia suositaan, koska ne ovat:

Edullisia mikro-ohjaimia tuotantoon

Helppoa integroida suoraan piirilevylle

Tehokkaita akkukäyttöisille laitteille

Yksinkertaisempaa virheenkorjaus verrattuna FPGA-piireihin

Erinomaisia mikro-ohjainsovelluksiin ohjaukseen ja valvontaan

Hyviä pienitehoisille sovelluksille ja arkipäivän sähkölaitteille

Tyypillisiä mikro-ohjainsovelluksia

Älykodilaitteet

Kotitalousvälineet

Kannettavien elektronisten laitteiden ohjausjärjestelmät

Automaation elektroniset laitteet

Teolliset ohjausjärjestelmät

Tunnistusyksikön solmut

Liikuteltavat elektroniset laitteet

Kuluttajaelektroniikka

Päämikro-ohjaimen edut

Perusmikro-ohjaimen firmware

Alentunut tehonkulutus

Alhaisempi hinta kuin FPGA:lla

Helppo valmistaa

Liikkuvat mittaukset

Kiinteän alueen tukeminen ja laitteen alue

Päämikro-ohjaimen rajoitukset

Rajoitettu rinnakkaisten tehtävien käsittely

Ei ideaali räätälöityjen työkalujen kiihdyttämiseen

Paljon vähemmän sopeutuvaa kuin FPGA-laitteisto

Voi kamppailla todella korkean nopeuden tai erityisen erikoistuneen työn kanssa

FPGA:t ja mikro-ohjaimet: keskeiset erot

Parhaat FPGA:n ja mikro-ohjaimen erot liittyvät suunnitteluun, prosessointisuunnitteluun, joustavuuteen ja kehitysmenetelmään. FPGA on uudelleenmuotoiltava laitteisto, kun taas mikro-ohjain on yksittäinen keskusprosessori, joka suorittaa ohjelmistoa. Tämä yksittäinen ero vaikuttaa käytännössä kaikkiin muihin niiden toimintaan, ohjelmointiin ja soveltuvuuteen piirilevyn asettelussa liittyviin seikkoihin.

Laitteistojärjestelmästä

FPGA on rakennettu logiikkasoluista, ohjelmoitavista yhteyksistä ja konfiguroitavista lohkoista, jotka voidaan määrittää suoraan räätälöityihin elektronisiin piireihin. Mikro-ohjaimessa on kokonaisuudessaan toteutettu keskusyksikkö (CPU) huolellisesti suunnitellulla rakenteella. Et voi muuttaa mikro-ohjaimen (MCU) sisäistä rakennetta samalla tavoin kuin voit määrittää FPGA:n. Voit muuttaa ainoastaan sen firmwarea. Tämä tarkoittaa, että FPGA voi muodostua käytännössä mille tahansa digitaaliselle piirille, kun taas mikro-ohjain säilyy samana ja suorittaa ainoastaan eri ohjelmakoodia.

Käsittelymalli

FPGA suorittaa rinnakkaista käsittelyä. Monia logiikkasuorituspolkuja voidaan suorittaa samanaikaisesti. Mikro-ohjain suorittaa peräkkäistä käsittelyä, jossa käskyt suoritetaan yksi toisen jälkeen, vaikka osa työskentelystä olisi keskeytysohjattua tai sitä hoitaisi useita ytimiä. Tämä tekee FPGAt erityisen tehokkaiksi korkean nopeuden tiedonkäsittelyyn ja räätälöityihin aikarajoitteisiin järjestelmiin.

Ohjelmointityyli

FPGA:n kehitys käyttää HDL-kieliä, kuten Verilogia ja VHDL:ää.

Mikro-ohjaimet käyttävät ohjelmointikieliä, kuten C:ta ja C++:aa.

Teho ja hinta

Mikro-ohjaimet kuluttavat yleensä huomattavasti vähemmän tehoa ja ovat edullisempia. FPGA:t vaativat yleensä paljon enemmän tehoa, koska ne on suunniteltu monikäyttöiseen logiikkaan ja korkean nopeuden käsittelyyn. Kompromissi on se, että FPGA:t voivat käsitellä vaativampia suorituskykyongelmia.

Vertailutaulukko

FPGA vs mikro-ohjain: Tärkeimmät yhtäläisyydet

Vaikka ne ovatkin sisäisesti erilaisia, FPGA- ja mikro-ohjainjärjestelmät jakavat joitakin keskeisiä yhtäläisyyksiä. Molempia käytetään upotetuissa järjestelmissä, molemmat voidaan sijoittaa painettuun piirikorttiin ja molemmat voivat kommunikoida todellisen maailman syötteiden ja tulosteiden kanssa. Yksinkertaisesti sanottuna ne ovat molemmat työkaluja upotettujen tietokonejärjestelmien ratkaisujen kehittämiseen.

Yhteiset yhtäläisyydet

Molemmat ovat ohjelmoitavia.

Molempia hyödynnetään upotettujen laitteiden kehityksessä.

Molemmat voivat hallita antureita, viestintää ja toimijoita.

Molemmat tukevat reaaliaikaista käsittelyä.

Molempia käytetään elektroniikan valmistuksessa.

Molemmat voivat olla osa järjestelmä-yhdelle-piirille (SoC) -ratkaisuja tai hybridipohjaisia upotettuja järjestelmiä.

Yhteiset roolit tuotteessa

Sekä FPGA että MCU voivat:

Tarkistaa tunnistusyksikön tiedot.

Ohjata tuloksia.

Kommunikoida tietoliikennebussien kautta.

Auttaa järjestelmän ajoituksen hallinnassa.

Toimia sähköisten ohjausjärjestelmien sisällä.

Käyttäisitkö FPGA:ta vai mikro-ohjainta (MCU) piirilevyssäsi?

Vastaus riippuu järjestelmän tavoitteista, erityisesti piirilevyn suunnittelusta ja muodosta. Prosessorin valinta vaikuttaa pinnien määrään, signaalien paksuuteen, tehonjakoon, lämpötilaan, hintaan sekä piirilevyn kerrosten määrään. Siksi upotetun järjestelmän prosessorien vertailu on tehtävä varhaisessa tuotekehityksen vaiheessa, ei sen jälkeen, kun piirilevy on jo valmistettu.

Mikäli mikro-ohjain on parempi vaihtoehto

Valitse mikro-ohjain, kun tarvitset:

Edullinen.

Vähentynyt teho.

Yksinkertaisempi upotetun laitteen ohjaus.

Pieni fyysinen vaikutus.

Helppo firmwarepäivitys.

Yksinkertainen anturiliitäntä.

Kun FPGA on järkevämpi ratkaisu

Valitse FPGA, kun tarvitset:

Korkeanopeuksista päätöksentekoa.

Samankaltaisia menettelyjä.

Henkilökohtainen käyttöliittymä.

FPGA:n nopeus.

Monimutkainen ajoitusohjaus.

Työkalujen uudelleenkuvaukset.

Paljon parempi suorituskyky kuin ohjelmistoprosessori pystyy tarjoamaan.

FPGAt käytetään tyypillisesti tietoliikennejärjestelmissä, kaupallisissa automaatiojärjestelmissä, signaalinkäsittelysovelluksissa ja edistyneessä mittauslaitteistossa.

PCB-suunnittelun huomioitavat asiat FPGA:lle

FPGA-lautaset vaativat yleensä:

BGA-pakkaukset.

HDI-PCB:ien suunnittelu.

Mikroreiät.

Varovainen signaalin vakaus.

Luotettava tehon luotettavuus.

Edistynyt lämmönkäsittelyvalmistelu.

Suurempi kerrosmäärä kerrostuksissa.

PCB-suunnittelun huomioitavat asiat mikrokontrollereille

MCU-kortit ovat yleensä helpompia valmistaa, koska:

Pinnimäärä on pienentynyt.

Teholähteet ovat yksinkertaisempia.

Siirtotiukkuus on lisääntynyt.

Kortin kerrostusrakenne voi yleensä olla huomattavasti yksinkertaisempi.

Käytännöllinen vertailu piirilevynsuunnittelijoille

FPGA ja mikro-ohjain: Voivatko ne käyttää yhdessä?

Kyllä – ja useissa monitasoisissa järjestelmissä niin tehdäänkin. Risteytetty asettelu on yleensä älykkäin tapa yhdistää molempien nykyaikaisten teknologioiden vahvuudet. Mikro-ohjaimen tehtävänä on yleinen ohjaus, vuorovaikutus ja firmware-tehtävät, kun taas FPGA käsittelee dataintensiivisiä tai aikakriittisiä prosesseja. Tämä on tyypillinen esimerkki laitteiston ja ohjelmiston yhteissuunnittelusta.

Miksi hybridiratkaisut toimivat hyvin

Mikro-ohjain on erinomainen seuraaviin tehtäviin:

Käynnistys ja järjestelmän käynnistys.

Anturien seuranta.

Liittymä.

Tekniikan hallinta.

Matalan tehon ohjaus.

FPGA on erinomainen seuraaviin tehtäviin:

Saman tietojen käsittely.

Todellisaikainen signaalinkäsittely.

Tekoälynopeus.

Videoklippien käsittely.

Henkilökohtainen vuorovaikutuksen ajoitus.

Hybridijärjestelmän edut

Paljon parempi tehokkuuden vakaus.

Vähäisempi uhka verrattuna siihen, että yksi piiri joutuisi hoitamaan kaiken.

Paljon helpompi tehtävien jakaminen.

Hyvä laajennettavuus.

Paljon luotettavampi käyttö silikoni-ohjaimia.

Yleisiä hybridisovelluksia

Mikro-ohjain ja FPGA: Suositellut sovellukset teollisuudenaloittain

Monet markkinat valitsevat eri prosessorit huolenaiheidensa mukaan. Jotkut pitävät eniten huolta kustannuksista ja yksinkertaisuudesta. Toiset taas keskittyvät ennen kaikkea suorituskykyyn ja deterministisiin työkalutoimintoihin. Siksi FPGA-sovellukset ja mikrokontrollerisovellukset usein kokoontuvat markkinakohtaisesti.

Teollisuusaloja, jotka usein suosivat mikro-ohjaimia

Mikro-ohjaimia suositaan yleensä seuraavissa:

Asiakkaiden digitaaliset laitteet.

Kannettavat laitteet.

Laitteista.

Edulliset IoT-laitteet.

Mobiilielektroniset työkalut.

Perustavanlaatuiset kaupalliset ohjausjärjestelmät.

Nämä tuotteet vaativat yleensä pieniä mittoja, alhaisempaa tehonkulutusta ja edullista tuotantoa.

Teollisuusaloja, jotka usein suosivat FPGA-piirejä

FPGA-piirejä suositaan yleensä seuraavissa:

Ilmailu- ja avaruusteknologian sovellukset.

Telekommunikatiotyökalut.

Korkean nopeuden mittauslaitteet.

Edistynyt kliininen kuvantaminen.

Puolustusalan elektroniset laitteet.

Tietokoneiden näköjärjestelmät.

Teollisuuden sähkömoottorien ohjaussovellukset, joissa vaaditaan monimutkaista ajastusta.

Nämä alat vaativat yleensä korkean suorituskyvyn omaavia upotettuja järjestelmiä, räätälöityä päätöksentekoa ja determinististä ajastusta.

Alat, jotka käyttävät molempia

Autoteollisuuden elektroniset työkalut.

Robotiikkaan liittyvät sovellukset.

Teollisuuden digitaaliset työkalut.

Ammattimaiset elektroniset laitteet.

Edistyneet vuorovaikutusjärjestelmät.

Teollisuuden mieltymystaulukko

Johtopäätös

FPGA:n ja mikro-ohjaimen valinta on itse asiassa valinta uudelleenkuvattavan laitteiston ja tehokkaan kiinteätoimintoisen ohjauksen välillä. FPGA:t ovat parhaiten sopivia, kun tarvitset samanlaisia ohjauskapasiteetteja, integroitua piiriä, laitteistojen sopeutuvuutta, mukautettuja aikatauluja ja korkean nopeuden tiedonkäsittelyä. Mikro-ohjaimet ovat parhaiten sopivia, kun tarvitset alhaisemman virrankulutuksen, kustannustehokkuuden ja yksinkertaisemman kehitystyön ohjauskeskisille upotettuille järjestelmille.

Kumpikaan ei yleensä ole selvästi parempi. Paras vaihtoehto riippuu työstäsi, sijoitussuunnitelmastasi, suorituskyvyn tavoitteistasi ja PCB-rajoituksistasi. Jos tuotteellasi tarvitaan perusohjain, mikro-ohjain on yleensä parempi ratkaisu. Jos se vaatii mukautettua logiikkaa tai raskasta tietojenkäsittelyä, FPGA on yleensä vahvempi vaihtoehto. Jos projekti on monimutkainen, paras vaihtoehto saattaa olla molempien käyttö yhdessä samalla piirikortilla.

UKK

Mitkä ovat FPGA:n ja mikro-ohjaimen väliset erot?

FPGA on uudelleenmuotoiltavissa oleva laite, joka suorittaa rinnakkaista käsittelyä. Mikro-ohjain on kiinteä keskusyksikkö (CPU), joka suorittaa firmwarea peräkkäisille ohjaustehtäville.

Voiko FPGA korvata mikro-ohjaimen?

Usein, mutta ei aina. FPGA voi hoitaa joitakin ohjaustehtäviä, mutta se ei yleensä ole tehokkain vaihtoehto yksinkertaisiin, matalan virrankulutuksen sovelluksiin.

Voivatko FPGA ja mikro-ohjain toimia yhdessä?

Kyllä. Monet järjestelmät käyttävät ohjaustehtäviin mikro-ohjainta (MCU) ja korkean nopeuden tiedonkäsittelyyn tai laitteiston nopeuteen FPGA:ta.

Onko FPGA parempi kuin mikro-ohjaimet?

Ei aina. FPGA on parempi monimutkaisiin, rinnakkaisiin ja suorituskykyisiin tehtäviin. Mikro-ohjaimet ovat parempia yksinkertaisiin, edullisiin ja matalan virrankulutuksen sovelluksiin.

Mikä on parempi upotettuihin järjestelmiin?

Se riippuu sovelluksesta. Yksinkertaisiin ohjaustehtäviin käytä mikro-ohjainta. Korkean nopeuden logiikkaan tai mukautettuun käsittelyyn käytä FPGA:ta.