FPGA vs. Mikrokontroler: Ključne razlike i sličnosti

FPGA vs. Mikrokontroler: Ključne razlike i sličnosti

FPGA i mikrokontroler: Razumijevanje ključnih razlika

Sadržaj

• Uvod
• Definicija FPGA?
• Što je mikrokontroler?
• FPGA i mikrokontroleri: ključne razlike
• FPGA vs. mikrokontroler: Glavne sličnosti
• Treba li koristiti FPGA ili Mcu u PCB?
• FPGA i mikrokontroler: Mogu li se koristiti zajedno?
• Mikrokontroleri i FPGA: Prednostne primjene u industriji
• Zaključak
• ČESTO POSTAVLJANA PITANJA

Uvod

Izbor između FPGA vs mikrokontrolera je jedan od najvažnijih odabir u ukorijenjenim sustavima i Dizajn PCB - Što? CPU koji odaberete utječe na performanse, potrošnju energije, brzinu, vrijeme rasta, i također točno kako vaša ploča treba biti postavljena. U brojnim poslovima, ta opcija stvara cijelu stavku. - Što? FPGA  (FPGA) može pružiti moćno jednako rukovanje i svestranost alata, dok mikrokontroler proizvodi jednostavan, učinkovit ukorenjen računalni sustav za primjene usmjerene na kontrolu.

Na visokom nivou, razlika je sljedeća: FPGA je oprema koja se može rekonfigurirati, dok je mikrokontroler računalni sustav s jednim čipom konstruiran za uzastopno izvršavanje instrukcija. To ukazuje na to da je FPGA obično izabran kada tražite prilagođeno razmišljanje, brzu obradu podataka ili brzinu hardvera. Mikrokontroler se redovito bira kada vam je potrebna manja potrošnja energije, smanjena brzina i mnogo lakši mikrokontroler. Obje se široko koriste u dizajniranju ukorijenjenih elektroničkih alata, ali ipak rješavaju različite probleme.

Ovaj kontrast je zabrinjavajući zbog činjenice da su moderne stvari puno složenije nego ikad prije. Uređaji mogu morati pregledati uređaje za preuzimanje, povezati preko etherneta ili kontejnerske šine, obrađivati video, pokrenuti petlje kontrole u stvarnom vremenu i baviti se upravljanjem energijom odjednom. U mnogim slučajevima, mikrokontroler je dovoljan. U drugim slučajevima, FPGA je daleko bolji. A u sofisticiranim sustavima, oboje se mogu udružiti na istoj ploči kako bi se stabilizirala kontrola, cijena i učinkovitost.

Brze istine

Praktičan primjer

Vizualizirajte stvaranje kreativne kamere. Ako je uređaj potreban samo za procjenu dugmića, upravljanje senzorskom jedinicom i slanje informacija o problemu, mikrokontroler bi mogao biti dovoljan. Međutim, ako kamera mora obavljati brzu obradu videa, visoke performanse, poboljšanje slike u stvarnom vremenu ili razmišljanje AI-a, FPGA može biti mnogo bolji izbor jer može raditi brojne poslove paralelno s stvarno smanjenom latencijom. To je vrsta kompromisa s kojima se dizajneri svakodnevno bave u digitalnim alatima, prototipu i razvoju stvari.

Definiranje FPGA-a ?

FPGA ili Area Programmable Gateway Variety je vrsta uređaja za programiranje koji omogućuje dizajnerima definiranje aktivnosti alata nakon što je čip zapravo napravljen. To je velika ideja iza FPGA programa: za razliku od pisanja softverske aplikacije koja radi na fiksnom CPU-u, uspostavljate sam opremu da bi izvršila pojedinost funkciju. To čini FPGA u osnovi brojnim od mikrokontrolera. Mikrokontroler se može držati standarda jedan po jedan, dok FPGA može istodobno obavljati brojne operacije koristeći paralelnu obradu.

FPGA je razvijen iz ogromne mreže programiranih aspekata razmišljanja, prenosa resursa i I/O blokova. Jedan od najčešćih gradivnih blokova sastoje se od konfigurljivih razmišljanja blokova (CLB), Look-Up tablice (LUT), flip-flops (FFs), multiplekseri, i programirajuće međusobne veze. Te komponente rade zajedno kako bi izvršile elektroničko razmišljanje, navike o vremenu, komunikacijske korisničke sučelje i prilagođene sustave kontrole. Brojni su moderni FPGA uređaji slično sastoji se od duboko ukorijenjenih memorijskih blokova, DSP blokova i prijemnika za brze sučelje poput PCIe, Ethernet ili video web veza. Zbog toga se FPGA često koriste u računalnim uređajima visokih performansi, aplikacijama za rukovanje signalima i FPGA aplikacijama koje zahtijevaju zapravo smanjenu latenciju.

Za razliku od mikroprocesora, FPGA se obično postavlja s HDL programskim jezicima kao što su VHDL ili Verilog. Ovo nisu softverski aplikacijski jezici u uobičajenom smislu. To su uređaji koji opisuju jezike koji definiraju ulaze u razmišljanje, vrijeme, putanje informacija, rukovanje elektroničkim signalima i ponašanje stanja. Zbog toga se rast FPGA obično naziva programiranje na hardverskom nivou ili stil razmišljanja. Inženjeri ne govore FPGA što učiniti sveobuhvatno. Oni opisuju kako bi oprema trebala biti izgrađena i povezana u razmatranju tipa. To radi, ali čini rast mnogo izazovnijim od programa s mikrokontrolerima.

Osnovni FPGA gradivni blokovi

Zašto inženjeri koriste FPGAs

FPGAs se biraju kada je za rad potrebno:

Identična izračunavanja

Stopa opreme

Konfigurišuća hardverska oprema

Izvanredno niska latencija

Korisnički sučelje

Brzo prototipiranje

Skalabilna učinkovitost

Na primjer, u računalnom sistemu za vid, sustavima za rukovanje slikama i rukovanju video signalima, FPGA može istodobno prečišćivati nekoliko piksela ili tokova podataka. U sustavima komercijalne automatizacije, može se nositi s brzim upravljačkim rezonovanjem s determinističkim vremenskim uvjetima. U telekomunikacijskoj opremi može fino podešavati informacijske tokove uz visoke troškove bez čekanja da CPU završi pojedinačne cikluse instrukcija. Taj stupanj kontrole jedan je od čimbenika zbog kojeg se FPGA redovito koriste u zrakoplovnoj montaži PCB-a, procesnim uređajima za prikupljanje i ukorijenjenim sustavima koji ne mogu tolerirati nesigurnost u vremenu.

Zašto inženjeri koriste FPGAs

Mikrokontroler, obično naziva MCU, je mali računalni sustav na jednom čipu konstruiran za ukorijenjene radove kontrole. Obično uključuje CPU, memoriju i periferne uređaje kao što su tajmeri, ADC-ovi, interaktivni korisnički interfejs i programirani I / O u jednom paketu. Za razliku od FPGA-e, mikrokontroler ne preobražava uređaje. Umjesto toga, pokreće ugrađenu softversku aplikaciju ili firmware koji specifično govori čipu kako djelovati. Zbog toga je mikrokontroler obično manje kompliciran za otkrivanje od razvoja FPGA.

Mikrokontroleri se proizvode s duboko ukorenjenom kontrolom uređaja i aplikacijama ukorenjenim u stvarnom vremenu gdje je cilj čitati ulaze, odabrati i uspješno upravljati rezultatima. Oni dominiraju u klijentskim proizvodima, komercijalnim kontrolerima, nosivi, kućnim uređajima, elektronici vozila i IoT uređajima. Posebno su cijenjeni zbog učinkovitosti mikrokontrolera, troškova mikrokontrolera i smanjene potrošnje energije. Ako vaš raspored zahtijeva standardnu, sigurnu, ekonomičnu kontrolu, MCU je obično prvi izbor.

Mnogi MCU-ovi temelje se na rasporedu kao što su RISC raspored, ARM jezgre mikrokontrolera ili brojne druge duboko ukorijenjene obitelji procesora. Glavne klasifikacije mikrokontrolera su 8-bitni, 16-bitni i 32-bitni modeli . Oni se obično postavljaju koristeći jezike kao što su C programi, C ++ ugrađeni programi ili različite druge uređaje firmvera. U brojnim sustavima, oni se brinu o prikupljanju jedinica, interakcije, postavke energije i interfejsa dok koriste izuzetno malo energije.

Sastav za uređaje za upravljanje električnom energijom

Zašto inženjeri koriste mikrokontrolere

Mikrokontroleri su preferirani zbog činjenice da su:

Ne skupi mikrokontroleri za proizvodnju

Jednostavan za integraciju u PCB postavljanje

U slučaju uređaja na baterije

Jednostavan za ispravljanje u usporedbi s FPGA-ima

Odlična za primjene mikrokontrolera u kontroli i nadzoru

U skladu s člankom 3. stavkom 2.

Tipične primjene mikrokontrolera

Pametni kućni uređaji

Kućne aparate

Sistemi za upravljanje nosivim elektroničkim uređajima

Električni uređaji za automobilsku upotrebu

Industrijski sustavi upravljanja

Uređaji za mjerenje

Mobilne elektroničke uređaje

Elektrotehnologija za kupce

Glavne prednosti mikrokontrolera

Osnovni firmware mikrokontrolera

Smanjena potrošnja energije

Minimalna cijena od FPGA

Lako se proizvode

Mobilno mjerenje

U slučaju da je to potrebno, potrebno je utvrditi:

Glavna ograničenja mikrokontrolera

Ograničeno paralelno rukovanje

Ne idealan za ubrzanje uređaja na zamjenu

Mnogo manje prilagodljiv od FPGA hardvera

Može se boriti s stvarno brzim ili stvarno specijaliziranim radom

FPGA i mikrokontroleri: ključne razlike

Najbolje razlike između FPGA-a i mikrokontrolera su dizajn, dizajn obrade, fleksibilnost i metoda unapređenja. FPGA je hardver koji se može rekonfigurirati, dok je mikrokontroler skup CPU-a koji pokreće softverski program. Ta jedina razlika utječe na praktično sve ostalo što se tiče kako točno rade, kako su programirani i kako se točno podudaraju s PCB postavkom.

Sklopovne arhitekture

FPGA je izgrađen od logičkih stanica, programiranih međusobnih veza i konfigurisljivih blokova koji se mogu postaviti u prilagođene elektroničke krugove. Mikrokontroler je potpuni CPU s pažljivim dizajnom. Ne možete promijeniti unutarnju strukturu MCU-a isto tako možete postaviti FPGA. Možete samo promijeniti njegov firmware. To sugeriše da FPGA može postati praktično bilo koje digitalno kolo, dok MCU ostaje isti i samo izvršava različiti kod.

Model obrade

FPGA radi paralelno rukovanje. Mnogi razmatranja obuka kursevi mogu raditi u isto vrijeme. Mikrokontroler obavlja uzastopnu obradu, gdje se upute izvršavaju jedna za drugom, čak i ako se neki rad provodi prekidno ili ga nadgleda nekoliko jezgara. To čini FPGA posebno snažnim za brzu obradu informacija i personalizirane sustave osjetljive na vrijeme.

Programski stil

FPGA otkriva koristi HDL jezike kao što su Verilog i VHDL.

Mikrokontroler pokazuje da koristi programske jezike kao što su C i C++.

Moć i cijena

Mikrokontroleri obično troše mnogo manje energije i troše manje. FPGA obično zahtijevaju mnogo više snage jer su napravljeni za svestranost i brzu obradu. Komercijalna razlika je u tome što FPGAs mogu nositi teže probleme učinkovitosti.

Tablica usporedbe

FPGA vs. mikrokontroler: Glavne sličnosti

Iako su zapravo različiti iznutra, FPGA i mikrokontrolator sistemi dijele neke ključne sličnosti. Obje se koriste u ugrađenim sustavima, obje se mogu postaviti na objavljenu karticu i obje mogu komunicirati s ulazima i rezultatima iz stvarnog svijeta. Jednostavno rečeno, obje su alat za razvoj ukorenjenih izbora računalnih sustava.

Zajednička sličnosti

Oboje su programirani.

Obje se koriste u razvoju ugrađene opreme.

Oboje mogu upravljati senzori, komunikacije i pokretači.

Obje pomoć u stvarnom vremenu rukovanje.

Oboje se koristi u proizvodnji elektronike.

Oba mogu biti dio sistema na čipu ili hibridnih ukorijenjenih sustava.

Zajedničke uloge u proizvodu

I FPGA i MCU mogu:

Pregledajte podatke o jedinici za senziranje.

Kontrolni rezultati.

Interfejs s komunikacijskim autobusima.

Pomoć pri praćenju vremena sustava.

-Pobjegnite unutar elektroničkih sustava kontrole.

Treba li koristiti FPGA ili Mcu u PCB?

Odgovor ovisi o ciljevima vašeg sustava, posebno u stilu PCB-a i formatu PCB-a. CPU selekcija utječe na materiju za čepove, debljinu pošiljke, distribuciju prozora, toplinu, cijenu, a također i materiju sloja ploče. Zato se poređenje CPU-a u ugrađenom sustavu mora dogoditi u ranom razdoblju razvoja, a ne nakon što je ploča već napravljena.

Kada je mikrokontroler smislenji

Izaberite MCU kad vam treba:

Niska cijena.

Smanjena snaga.

Jednostavnija kontrola ugrađenih uređaja.

Mali fizički udarac.

Jednostavan napredak firmvera.

Nezaustavljena senzorska veza.

Kada je FPGA smisleniji

Izaberite FPGA kada vam treba:

Brzo razmišljanje.

Identične procedure.

Personaliziran interfejs.

Brzina FPGA.

Komplicirana kontrola vremena.

Rekonfiguracija alata.

Mnogo bolji prolaz od softverskih procesora.

FPGA se obično koriste u telekomunikacijskim sustavima, sustavima komercijalne automatizacije, aplikacijama za rukovanje signalima i naprednim instrumentima.

U skladu s člankom 4. stavkom 2.

FPGA ploče obično zahtijevaju:

BGA paketi.

HDI PCB usmjeravanje.

Mikrovije.

Oprezna stabilnost signala.

Čestitost snaga.

Napredni termalni priprema rad.

Veći broj slojeva.

Smatra se da je to vrlo važno za razvoj i razvoj sustava.

MCU ploče su obično manje komplicirane za izradu jer:

Broj šipki je smanjen.

-Stražnice su manje komplicirane.

Prenos gustoće je izuzetno zgodan.

Stackup na ploči obično može biti mnogo manje složen.

Praktično usporedba za dizajnere PCB-a

FPGA i mikrokontroler: Mogu li se koristiti zajedno?

Da, i u nekoliko sofisticiranih sustava, oni rade. Ukršteni raspored je obično najpametniji način da se kombinuju izdržljivost obje suvremene inovacije. Mikrokontroler se bavi općom kontrolom, interakcijom i firmware radovima, dok FPGA upravlja podacima ili vremenskim kritičnim postupcima. Ovo je konvencionalni primjer hardversko-software zajedničkog dizajna.

Zašto hibridni dizajn dobro funkcionira

Mikrokontroler je odličan za:

Požurite i pokrenite sustav.

Senzori prate.

Sučelje.

Tehničko rukovanje.

Vođenje niskim napajanjem.

FPGA je iznimno za:

Isti detalji rukovanje.

-Realno vrijeme rukovanje signalima.

-Sve što je brže.

Video klip rukovanje.

Personalizirano vrijeme interakcije.

Prednosti hibridnog sustava

Mnogo bolja učinkovitost, stabilnost.

Minimizirana prijetnja nego prisiljavanje jednog čip da radi svaku sitnicu.

Mnogo lakše je podijeliti poslove.

Dobra skalabilnost.

Mnogo pouzdanije je koristiti silicijsku opremu.

Zajednička hibridna primjena

Mikrokontroleri i FPGA: Prednostne primjene u industriji

Brojna tržišta biraju različite proizvođače na temelju svojih briga. Neki su najviše zabrinuti za troškove i jednostavnost. Drugi se najviše brinu o mjerama i determinističkim instrumentima. Stoga se primjene FPGA i mikrokontrolera obično okupljaju po tržištu.

Industrije koje često preferiraju mikrokontrolere

Mikrokontroleri se obično preferiraju u:

Digitalne uređaje za kupce.

-Nosive.

Uređaja.

Jeftini uređaji IoT.

Mobilni elektronički alat.

Osnovni sustavi kontrole trgovanja.

Ti proizvodi obično zahtijevaju male dimenzije, smanjenu potrošnju energije i ekonomičnu proizvodnju.

Industrije koje često preferiraju FPGAs

FPGAs su obično omiljeni u:

Upotreba u zrakoplovstvu.

Telekomunikacijski alat.

Visokim brzinama instrumentacije.

Napredni klinički snimanje.

Odbrambene elektroničke uređaje.

Računarski sustav: sustav za vid.

Industrijske aplikacije za upravljače električnih motora s složeno vrijeme.

Ti sektori općenito zahtijevaju visoko-izvršavajuće ukorijenjene sustave, personalizirano razmišljanje i determinističko vrijeme.

Industrije koje koriste oboje

Elektronski alat za automobil.

Robotika aplikacije.

Industrijski digitalni alat.

Profesionalni elektronički uređaji.

Napredni sustavi interakcije.

Tablica industrijskih preferencija

Zaključak

Opcija FPGA vs mikrokontroler je zapravo izbor između rekonfigurativnog hardvera i učinkovite kontrole fiksne funkcije. FPGA se najbolje poboljšavaju kada vam je potrebna ista sposobnost brige, integrisano krug, prilagodljivost opreme, personalizirano vrijeme i brza obrada informacija. Mikrokontroleri su najbolji kada tražite smanjenu snagu, troškovno učinkovit i manje težak razvoj za uređene sustave usmjerene na kontrolu.

Ni jedno ni drugo obično nije mnogo bolje. Odlična opcija ovisi o vašem radu, planu ulaganja, ciljevima performansi i ograničenjima PCB-a. Ako vaš proizvod treba osnovni kontroler, mikrokontroler je obično mnogo bolje rješenje. Ako je potrebno osobno razmišljanje ili obimna obrada informacija, FPGA je obično jači izbor. Ako je vaš projekt napredan, najbolja alternativa može biti da se oboje udruže na istoj ploči.

ČESTO POSTAVLJANA PITANJA

Koja je razlika između FPGA i mikrokontrolera?

FPGA je rekonfigurirana oprema proizvedena paralelnom obradom. Mikrokontroler je fiksni CPU koji pokreće firmware za uzastopne kontrole.

Može li FPGA zamijeniti mikrokontroler?

Često, ali ne stalno. FPGA može obaviti neke zadatke kontrole, međutim obično nije jedna od najefikasnijih alternativa za jednostavne, niskoenergetske aplikacije.

Mogu li FPGA i mikrokontroler surađivati?

-Da, to je dobro. Različiti sustavi koriste MCU za kontrolu i FPGA za brzu obradu informacija ili brzinu opreme.

Je li FPGA mnogo bolji od mikrokontrolera?

Ne stalno. FPGA je bolji za objekte, paralelne, visoke performanse zadatke. Mikrokontroleri su bolji za osnovne, jeftine, niskoenergetske aplikacije.

Što je puno bolje za ugrađene sustave?

Ovisi o primjeni. Za osnovnu kontrolu, koristite mikrokontroler. Za brze razmatranje ili prilagođenu obradu, koristite FPGA.