FPGA és mikrovezérlő: Fő különbségek és hasonlóságok

FPGA és mikrovezérlő összehasonlítása: kulcsfontosságú különbségek és hasonlóságok

FPGA-k és mikrovezérlők: a kulcsfontosságú különbségek megértése

Tartalomjegyzék

• Bevezetés
• Mi az FPGA definíciója?
• Mi egy mikrovezérlő?
• FPGA-k és mikrovezérlők: kulcsfontosságú különbségek
• FPGA és mikrovezérlő: Fő hasonlóságok
• Használjon FPGA-t vagy mikrovezérlőt (MCU) a nyomtatott áramkörén?
• FPGA és mikrovezérlő: Együtt használhatók?
• Mikrovezérlő és FPGA: Az iparágak által preferált alkalmazások
• Összegzés
• Gyakran Ismételt Kérdések

Bevezetés

Az FPGA és a mikrovezérlő közötti választás az egyik legfontosabb döntés beágyazott rendszerekben és PCB-tervezés . A kiválasztott processzor befolyásolja a teljesítményt, az energiafogyasztást, a sebességet, a fejlesztési időt, valamint azt is, hogyan kell elrendezni a nyomtatott áramkörös lapot. Számos feladatnál ez a döntés meghatározza az egész terméket. Egy FPGA  (FPGA) erőteljes párhuzamos feldolgozást és eszközök rugalmasságát biztosít, míg egy mikrovezérlő egyszerű, hatékony beágyazott számítógépet kínál vezérlésre fókuszált alkalmazásokhoz.

Általános szinten a különbség a következő: egy FPGA újra konfigurálható eszköz, míg egy mikrovezérlő egy egycsipes számítógéprendszer, amelyet sorozatos utasításvégrehajtásra terveztek. Ez azt jelenti, hogy az FPGA-t általában akkor választják, ha testre szabott logikai műveletekre, nagysebességű adatfeldolgozásra vagy hardveres sebességre van szükség. A mikrovezérlőt gyakran akkor választják, ha alacsonyabb energiafogyasztásra, alacsonyabb költségre és lényegesen egyszerűbb mikrovezérlő-megoldásra van szükség. Mindkettőt széles körben használják beágyazott elektronikus eszközök tervezésében, de eltérő problémákat oldanak meg.

Ez az ellentét azon alapul, hogy a modern eszközök sokkal bonyolultabbak, mint valaha voltak. Az eszközöknek gyakran szükségük van arra, hogy érzékeljék a környező eszközöket, Etherneten vagy konténerbuszon keresztül kapcsolódjanak, videót feldolgozzanak, valós idejű vezérlési hurkokat futtassanak, és egyszerre kezeljék az energiaellátást is. Sok esetben egy mikrovezérlő elegendő. Más esetekben az FPGA jelent megfelelőbb megoldás. Összetett rendszerekben mindkét eszköz ugyanazon a nyomtatott áramkörön együttműködhet a vezérlés, a költség és a hatékonyság optimalizálása érdekében.

Gyors tények

Gyakorlati példa

Képzeljük el egy kreatív kamera létrehozását. Ha az eszköznek csupán gombok értékelésére, érzékelőegység kezelésére és hibainformációk küldésére van szüksége, akkor egy mikrovezérlő elegendő lehet. Ha azonban a kamerának nagysebességű videófeldolgozást, magas teljesítményt, valós idejű képfeldolgozást vagy mesterséges intelligencián alapuló következtetést kell végeznie, akkor egy FPGA sokkal jobb választás lehet, mivel számos feladatot párhuzamosan tud kezelni rendkívül alacsony késleltetéssel. Ez az a fajta kompromisszum, amellyel a tervezők naponta szembesülnek a digitális eszközök prototípuskészítése és az eszközfejlesztés során.

FPGA definíciója ?

Egy FPGA (Field-Programmable Gate Array, azaz mezőprogramozható kapuarány) egy olyan programozható logikai eszköz, amely lehetővé teszi a tervezők számára, hogy meghatározzák az eszköz működését még a chip gyártása után is. Ez a fő gondolata az FPGA-programozásnak: nem egy fix processzoron futó szoftvert írunk, hanem magát a hardvert alakítjuk ki egy adott feladat elvégzésére. Ez teszi az FPGA-t alapvetően eltérővé egy mikrovezérlőtől. Egy mikrovezérlő sorosan hajtja végre az utasításokat, míg egy FPGA párhuzamos feldolgozás segítségével egyszerre több műveletet is képes végrehajtani.

Egy FPGA egy nagy méretű, programozható logikai elemekből, átviteli erőforrásokból és bemeneti/kimeneti (I/O) blokkokból álló rácsból épül fel. A leggyakoribb építőelemek közé tartoznak a konfigurálható logikai blokkok (CLB-k), a keresőtáblák (LUT-ok), a flip-flopok (FF-ok), a multiplexerek és a programozható összeköttetések. Ezek az alkatrészek együttműködve valósítják meg az elektronikus logikai műveleteket, a időzítési funkciókat, a kommunikációs felhasználói felületeket és az egyedi vezérlőrendszereket. Számos modern FPGA-eszköz továbbá beépített mély memóriablokkokat, DSP-blokkokat és gyors interfészhez (pl. PCIe, Ethernet vagy videókapcsolatokhoz) szükséges transzceivereket is tartalmaz. Ennek köszönhetően az FPGA-kat gyakran használják nagy teljesítményű számítógépekben, jelfeldolgozási alkalmazásokban, valamint olyan FPGA-alkalmazásokban, amelyek valóban alacsony késleltetést igényelnek.

Ellentétben a mikroprocesszorral, egy FPGA-t általában HDL programozási nyelvekkel, például VHDL-lel vagy Verilog-gal állítanak be. Ezek nem szokásos szoftveralkalmazási nyelvek. Ezek olyan eszközleíró nyelvek, amelyek meghatározzák a logikai bemeneteket, az időzítést, az adatutakat, az elektromos jelek feldolgozását és az állapotviselkedést. Ezért az FPGA-fejlesztést általában hardver-szintű programozásnak vagy logikai tervezésnek nevezik. A mérnökök nem adják meg az FPGA-nak, hogy mit tegyen pontosan. Inkább leírják, hogyan kell a berendezést felépíteni és összekötni logikai szinten. Ez működik, de emiatt a fejlesztés lényegesen bonyolultabb, mint a mikrovezérlő-programozás.

Kulcsfontosságú FPGA-építőelemek

Miért használnak mérnökök FPGA-kat

Az FPGA-kat akkor választják, ha egy feladat a következőket igényli:

Azonos számítás

Felszerelési ráta

Újraconfigurálható hardver

Kivételesen alacsony késleltetés

Egyedi felhasználói felületek

Gyors prototípuskészítés

Skálázható hatékonyság

Például a számítógépes rendszerlátásban, a képfeldolgozó rendszerekben és a videójel-feldolgozásban egy FPGA egyszerre finomíthat több pixelt vagy adatfolyamot. A kereskedelmi automatizálási rendszerekben megbízható időzítéssel működő, nagysebességű vezérlési logikát tud kezelni. A távközlési berendezésekben az információfolyamokat magas sebességgel tudja optimalizálni anélkül, hogy várnia kellene a CPU-ra, amíg egyes utasításciklusokat befejez. Ez a mértékű irányítási lehetőség egyik oka annak, hogy az FPGA-kat gyakran használják űrkutatási PCB-összeszerelésben, folyamatosan fejlődő eszközökben és beágyazott rendszerekben, amelyek nem tűrhetik az időzítési bizonytalanságot.

Miért használnak mérnökök FPGA-kat

Egy mikrovezérlőt, amelyet általában MCU-nak (microcontroller unit) neveznek, egyetlen chipen elhelyezett kis számítógép-rendszerként definiálnak, amelyet beágyazott vezérlési feladatokra terveztek. Általában egy CPU-t, memóriát és perifériákat – például időzítőket, analóg-digitális átalakítókat (ADC-ket), interaktív felhasználói felületeket és programozható bemeneti/kimeneti egységeket – tartalmaz egyetlen egységben. Ellentétben az FPGA-val, a mikrovezérlő nem konfigurálja újra saját eszközeit. Ehelyett beágyazott szoftveralkalmazást vagy firmware-t futtat, amely pontosan meghatározza, hogyan kell a chipnek működnie. Ez az oka annak, hogy a mikrovezérlők fejlesztése általában egyszerűbb elsajátítani, mint az FPGA-fejlesztés.

A mikrovezérlők mélyen gyökerező eszközvezérlési és valós idejű beágyazott alkalmazásokhoz készülnek, ahol a cél az adatbemenetek olvasása, döntéshozatal és az eredmények sikeres vezérlése. Domináns szerepet töltenek be fogyasztói termékekben, ipari vezérlőkben, hordható eszközökben, otthoni készülékekben, járműelektronikában és IoT-eszközökben. Különösen értékesek a mikrovezérlők hatékonysága, költséghatékonysága és alacsony energiafelhasználása miatt. Ha a tervezés standard, biztonságos és gazdaságos vezérlést igényel, a mikrovezérlő (MCU) általában az első választás.

Számos MCU olyan architektúrákra épül, mint például a RISC-architektúra, az ARM mikrovezérlőmagok vagy más beágyazott processzorcsaládok. A mikrovezérlők főbb kategóriái az 8 bites, 16 bites és 32 bites modellek. . Általában C nyelven, C++ beágyazott programokban vagy más firmware-eszközökkel programozzák őket. Számos rendszerben felügyelik az érzékelőegységeket, az interakciót, az energiaellátást és az interfészeket, miközben rendkívül alacsony teljesítményt használnak.

Alapvető mikrovezérlő-összetevők

Miért használnak mérnökök mikrovezérlőket

A mikrovezérlőket az alábbi okok miatt részesítik előnyben:

Gyártásra szánt olcsó mikrovezérlők

Könnyű integrálás a nyomtatott áramkörökbe (PCB)

Hatékony akksiüzemű eszközök esetén

Egyszerűbb hibakeresés FPGA-khoz képest

Kiválóan alkalmas mikrovezérlő-alkalmazásokhoz vezérlési és felügyeleti feladatokra

Jó választás alacsony fogyasztású alkalmazásokhoz és mindennapi elektronikai eszközökhöz

Tipikus mikrovezérlő-alkalmazások

Okos otthoni eszközök

Házimellékletek

Hordható elektronikus eszközök vezérlőrendszerei

Automotív elektronikus eszközök

Ipari vezérlőrendszerek

Érzékelő egység csomópontok

Mobil elektronikus eszközök

Fogyasztói elektronika

Fő mikrovezérlő előnyei

Alapvető mikrovezérlő szoftver

Csökkentett energiafogyasztás

Alacsonyabb ár, mint egy FPGA

Könnyen gyártható

Mobil mérés

Szilárd területi támogatás és eszközterület

Fő mikrovezérlő korlátozások

Korlátozott párhuzamos feldolgozás

Nem ideális egyedi készítésű eszközök gyorsítására

Sokkal kevésbé rugalmas, mint az FPGA hardver

Valódi nagysebességű vagy igazán specializált feladatok kezelésében problémák adódhatnak

FPGA-k és mikrovezérlők: kulcsfontosságú különbségek

Az FPGA és a mikrovezérlő közötti legfontosabb különbségek a tervezésre, a feldolgozási architektúrára, a rugalmasságra és a fejlesztési módszerre vezethetők vissza. Az FPGA újrakonfigurálható hardver, míg a mikrovezérlő egy meghatározott CPU, amelyen szoftverprogram fut. Ez az egyetlen különbség gyakorlatilag minden más vonatkozásban is érvényesül – például abban, hogyan működnek, hogyan programozzák őket, és hogyan illeszkednek egy nyomtatott áramkör (PCB) elrendezésébe.

Hardver architektúrában

Egy FPGA logikai cellákból, programozható interkonnektokból és konfigurálható blokkokból épül fel, amelyeket közvetlenül testreszabott elektronikus áramkörökbe lehet beágyazni. Egy mikrovezérlő egy teljes CPU, amelyet gondosan terveztek. Nem módosíthatja a mikrovezérlő belső szerkezetét úgy, ahogy egy FPGA-t konfigurálhat. Csak a firmware-jét módosíthatja. Ez azt jelenti, hogy egy FPGA gyakorlatilag bármilyen digitális áramkörré alakítható, míg egy mikrovezérlő ugyanaz marad, és csupán különböző kódot hajt végre.

Feldolgozási modell

Egy FPGA párhuzamos feldolgozást végez. Számos logikai folyamat fut egyszerre. Egy mikrovezérlő soros feldolgozást végez, ahol az utasításokat egymás után hajtják végre, még akkor is, ha néhány munkafolyamat megszakításvezérelt vagy több mag által kezelt. Ez teszi az FPGA-kat különösen alkalmasnak nagysebességű adatfeldolgozásra és testreszabott, időérzékeny rendszerekre.

Programozási stílus

Az FPGA-k HDL nyelveket használnak, például a Verilogot és a VHDL-t.

A mikrovezérlők szoftverprogramozási nyelveket, például a C és C++ nyelveket használnak.

Teljesítmény és költség

A mikrovezérlők általában sokkal kevesebb energiát fogyasztanak, és olcsóbbak. Az FPGA-k általában jóval több energiát igényelnek, mivel rugalmas logikai feldolgozásra és nagysebességű feldolgozásra épülnek. A kompromisszum az, hogy az FPGA-k bonyolultabb teljesítményfeladatokat is kezelhetnek.

Összehasonlító táblázat

FPGA és mikrovezérlő: Fő hasonlóságok

Bár belsőleg lényegesen eltérnek egymástól, az FPGA-k és a mikrovezérlők számos kulcsfontosságú hasonlóságot mutatnak. Mindkettőt beágyazott rendszerekben használják, mindkettő elhelyezhető nyomtatott áramkörön, és mindkettő képes valós idejű bemenetekkel és kimenetekkel kommunikálni. Egyszerűen fogalmazva, mindkettő eszköz a beágyazott számítógép-alapú megoldások kialakításához.

Közös hasonlóságok

Mindkettő programozható.

Mindkettőt beágyazott berendezések fejlesztésében alkalmazzák.

Mindkettő képes érzékelők, kommunikációs eszközök és működtető elemek kezelésére.

Mindkettő támogatja a valós idejű feldolgozást.

Mindkettőt az elektronikai gyártásban használják.

Mindkettő része lehet rendszer-chip (SoC) megoldásoknak vagy hibrid beágyazott rendszereknek.

Közös szerepek egy termékben

Az FPGA és az MCU is képesek:

Érzékelő egység információinak áttekintésére.

Kimenetek vezérlésére.

Kommunikációs buszokkal való kapcsolódásra.

A rendszer időzítésének támogatására.

Elektronikus vezérlőrendszerekben való futásra.

Használjon FPGA-t vagy mikrovezérlőt (MCU) a nyomtatott áramkörén?

A válasz a rendszer célkitűzéseitől függ, különösen a nyomtatott áramkör (PCB) tervezésétől és formátumától. A processzor kiválasztása hatással van a lábkiosztásra, a jelvezetékek vastagságára, az energiaellátásra, a hőkezelésre, az árra, valamint a nyomtatott áramkör rétegszámaira is. Ezért az beágyazott rendszer processzorának összehasonlítását már a termékfejlesztés korai szakaszában el kell végezni, nem pedig akkor, amikor a nyomtatott áramkör már elkészült.

Amikor érdemesebb mikrovezérlőt választani

Válasszon mikrovezérlőt, ha a következőkre van szüksége:

Olcsó.

Csökkentett teljesítmény.

Egyszerűbb beágyazott eszközvezérlés.

Kis fizikai hatás.

Könnyű firmware-frissítés.

Egyszerű érzékelők csatlakoztatása.

Amikor egy FPGA ésszerűbb választás

Válasszon FPGA-t, ha a következőkre van szüksége:

Nagysebességű feldolgozás.

Azonos eljárások.

Személyre szabott felület.

FPGA sebesség.

Bonyolult időzítési vezérlés.

Eszközök újrakonfigurálása.

Sokkal nagyobb áteresztőképesség, mint amit egy szoftverprocesszor nyújthat.

Az FPGA-kat általában távközlési rendszerekben, kereskedelmi automatizálási rendszerekben, jelkezelési alkalmazásokban és fejlett műszerekben használják.

FPGA-khoz kapcsolódó nyomtatott áramkörök (PCB) tervezési szempontjai

Az FPGA-alapú nyomtatott áramkörök (PCB) általában a következőket igénylik:

BGA csomagolás.

HDI nyomtatott áramkörök irányítása.

Mikrovia.

Óvatos jelstabilitás.

Megbízható teljesítményhűség.

Fejlett hőtechnikai előkészítés.

Nagyobb rétegszámú rétegstruktúrák.

Mikrovezérlők PCB-tervezési szempontjai

Az MCU-alapú nyomtatott áramkörök gyártása általában egyszerűbb, mert:

A csatlakozók száma csökken.

A tápfeszültség-sínrendszerek egyszerűbbek.

A sűrűségátvitel kényelmesebb.

A nyomtatott áramkör rétegstruktúrája általában sokkal egyszerűbb lehet.

Gyakorlati összehasonlítás a nyomtatott áramkörök tervezői számára

FPGA és mikrovezérlő: Együtt használhatók?

Igen – és több kifinomult rendszerben valóban így tesznek. A hibrid elrendezés általában a legintelligensebb megoldás a két modern technológia erősségeinek egyesítésére. A mikrovezérlő az általános vezérlési, kommunikációs és firmware-feladatokat látja el, míg az FPGA a nagy adatmennyiséget igénylő vagy időérzékeny folyamatokat kezeli. Ez egy tipikus példa hardver-szoftver együtttervezésre.

Miért működnek jól a hibrid tervek

Egy mikrovezérlő kiváló a következőkre:

Indítás és rendszerindítás.

Érzékelőkövetés.

Felület.

Technika kezelése.

Alacsony fogyasztású irányítás.

Egy FPGA kiváló a következőkre:

Ugyanazon adatok kezelése.

Valós idejű jelfeldolgozás.

Mesterséges intelligencia sebessége.

Videóklip-feldolgozás.

Személyre szabott interakciós időzítés.

Hibrid rendszer előnyei

Sokkal jobb hatékonyság-stabilitás.

Kisebb kockázat, mint amikor egyetlen chipet kényszerítenek minden feladat elvégzésére.

Sokkal egyszerűbb a feladatok szétosztása.

Jó skálázhatóság.

Sokkal megbízhatóbb a szilíciumalapú berendezések használata.

Gyakori hibrid alkalmazások

Mikrovezérlő és FPGA: Az iparágak által preferált alkalmazások

Számos piac különböző processzorokat választ a saját igényei szerint. Néhányan elsősorban a költségekre és az egyszerűségre figyelnek. Mások elsősorban a sebességre és a determinisztikus eszközmozgásokra. Ezért az FPGA-alkalmazások és a mikrovezérlő-alkalmazások általában piacok szerint csoportosulnak.

Iparágak, amelyek gyakran preferálják a mikrovezérlőket

A mikrovezérlőket általában az alábbi területeken részesítik előnyben:

Ügyfél számára szánt digitális eszközök.

Hordható eszközök.

Eszközök.

Költséghatékony IoT-eszközök.

Mobil elektronikus eszközök.

Alapvető kereskedelmi vezérlőrendszerek.

Ezek a termékek általában kis méretet, alacsony energiafogyasztást és költséghatékony gyártást igényelnek.

Iparágak, amelyek gyakran preferálják az FPGA-kat

Az FPGA-kat általában az alábbi területeken részesítik előnyben:

Űrkutatási alkalmazások.

Távközlési eszközök.

Nagysebességű műszerek.

Haladó klinikai képalkotás.

Védelmi elektronikus eszközök.

Számítógépes látási rendszerek.

Ipari elektromos motorvezérlő alkalmazások összetett időzítéssel.

Ezek a szektorok általában nagy teljesítményű beágyazott rendszereket, személyre szabott érvelést és determinisztikus időzítést igényelnek.

Mindkét területet használó iparágak.

Automotív elektronikus eszközök.

Robotikai alkalmazások.

Ipari digitális eszközök.

Professionális elektronikus eszközök.

Haladó interakciós rendszerek.

Iparszegmens-előnytáblázat

Összegzés

Az FPGA és a mikrovezérlő közötti választás valójában a újraconfigurálható hardver és az hatékony, rögzített funkciójú vezérlés közötti döntés. Az FPGA-k akkor a legjobbak, ha ugyanolyan gondoskodási képességekre, integrált áramkörre, eszközök rugalmasságára, személyre szabott időzítésre és nagysebességű adatfeldolgozásra van szükség. A mikrovezérlők akkor a legjobbak, ha alacsony fogyasztású, költséghatékony és egyszerűbb fejlesztésre van szükség vezérlés-fókuszú beágyazott rendszerekhez.

Egyik sem általában jobb. A legmegfelelőbb választás a munka jellegétől, a beruházási tervtől, a teljesítménykövetelményektől és a nyomtatott áramkör (PCB) korlátozásaitól függ. Ha termékének egyszerű vezérlőre van szüksége, akkor általában a mikrovezérlő a jobb megoldás. Ha személyre szabott logikára vagy intenzív adatfeldolgozásra van szükség, akkor általában az FPGA a erősebb választás. Ha projektje összetett, akkor a legjobb megoldás mindkét eszköz együttműködése ugyanazon a nyomtatott áramkörön.

Gyakran Ismételt Kérdések

Mi a különbség az FPGA és a mikrovezérlő között?

Az FPGA újrakonfigurálható eszköz, amely párhuzamos feldolgozást végez. A mikrovezérlő egy rögzített CPU, amely szekvenciális vezérlési feladatokhoz futtat firmware-t.

Lehet-e egy FPGA-t mikrovezérlőként használni?

Gyakran, de nem mindig. Az FPGA képes kezelni egyes vezérlési feladatokat, de általában nem a legjobb megoldás egyszerű, alacsony fogyasztású alkalmazásokhoz.

Kommunikálhatnak-e egymással az FPGA és a mikrovezérlő?

Igen. Számos rendszer mikrovezérlőt (MCU) használ vezérlésre, és FPGA-t nagysebességű adatfeldolgozásra vagy hardvergyorsításra.

Jobb-e az FPGA a mikrovezérlőknél?

Nem mindig. Az FPGA jobb bonyolult, párhuzamos, nagy teljesítményű feladatokhoz. A mikrovezérlők jobbak egyszerű, olcsó és alacsony fogyasztású alkalmazásokhoz.

Mi a jobb választás beágyazott rendszerekhez?

Az alkalmazástól függ. Egyszerű vezérléshez használjon mikrovezérlőt. Nagysebességű logikai műveletekhez vagy testre szabott feldolgozáshoz használjon FPGA-t.