FPGA vs örgjörva: Lykilmunasamtök og samhverf

FPGA gegn háttstýringareiningu: Lykilmunasamhæfingar og samhæfingar

FPGA og háttstýringareiningar: Að skilja lykilmunasamhæfingarnar

Efnisyfirlit

• Kynning
• Skilgreining á FPGA?
• Hvað er háttstýringareining?
• FPGA og háttstýringareiningar: Lykilmunasamhæfingar
• FPGA gegn örgjörva: Aðalstefnur samanburðar
• Áttu að nota FPGA eða MCU á PCB-hólfnum þínu?
• FPGA og örgjörva: Geta þeir verið notaðir saman?
• Örgjörva og FPGA: Fyrirvalin notkun eftir atvinnugrein
• Ályktun
• Algengar spurningar

Innleiðing

Að velja milli FPGA og örgjörva er ein af mikilvægustu ákvörðunum í innbyggðum kerfum og PCB hönnun . CPU-hnútinn sem þú velur áhrifar afrek, orkunotkun, hraða, þróunar tíma og líka hvernig kringluborðið þitt á að vera skipulagt. Í mörgum verkefnum ákvarðar sú ákvörðun heildarafurðina. Einn FPGA  (FPGA) getur veitt sterkt jafnhliða vinnuskap og tækifæri fyrir fjölbreytileika, en örgjörva býður upp á einfaldan, áreiðanlegan innbyggðan tölvukerfi fyrir stjórnunarskilyrði.

Á hárri stigi er munurinn þessi: FPGA er endurstillaðanlegt tæki, en örgjörvi er ein-chip tölvukerfi sem er smíðað fyrir áframhaldandi framkvæmd skipana. Það þýðir að FPGA er venjulega valið þegar þörf er á sérsniðnum rökfræðilegum lausnum, fljótu gagnavinnslu eða hraða í vélbúnaði. Örgjörvi er venjulega valið þegar þörf er á lægra orkunotkun, lægra kostnað og einfaldari örgjörva. Bæði eru mjög algeng í hönnun innbyggðra raunvirkja tækja, en þau leysa mismunandi vandamál.

Þessi gagnstæða tengist því að nútímasamhengi eru miklu flóknari en áður. Tæki gætu þurft að skoða tæki, tengjast yfir Ethernet eða container-bus, vinna myndskrár, keyra rauntíma stýrihringa og hafa sér um orkustjórnun allt í einu. Í mörgum tilfellum er smávirkjari nógu. Í öðrum tilfellum er FPGA betri val. Og í flóknum kerfum geta bæði samstarfa á sama borði til að jafna stýri, kostnað og árangur.

Fljótar staðreyndir

Dæmi um raunverulega uppsetningu

Hugsumið að búa til myndavél með nýjum hugtökum. Ef tækið þarf aðeins að skoða takka, stjórna skynjara og senda út villuskilaboð, gæti mikrostjórnandi verið nægilegur. En ef myndavélin þarf að framkvæma hraðmyndvinnslu, háa afköst, rauntíma mynduppgræðingu eða gervigreindar rökhugsun, gæti FPGA verið miklu betri valkostur því það getur unnið margar áskoranir í samskiptum með mjög lágu dvalatíma. Þetta er slíkt val sem hönnuðar takast á daglega grundvelli við módelmyndun stafrænna tækja og þróun á tæki.

Skilgreining á FPGA ?

FPGA, eða reiknistýrt gáttasafn, er tegund af forritanlegum hugbúnaðarstýrðum tæki sem leyfir hönnuðum að skilgreina virkni tækisins eftir að chipsin hefur verið framleitt. Þetta er helsti hugmyndin bakvið FPGA-forritun: í stað þess að skrifa forrit sem keyrist á fastri örgjörð, eru þú að smíða sjálfa örgjörðina til að framkvæma ákveðna virkni. Þetta gerir FPGA-grundvallarlega ólíkt stjórnskýrslustýringu (microcontroller). Stjórnskýrslustýringu getur framkvæmt einungis eina skipun í einu, en FPGA getur framkvæmt margar aðgerðir samtímis með samskeytun.

FPGA er þróað úr stóru ristu af forritanlegum rökhugunareiningum, sendifærum og I/O-blokka. Einn af algengustu byggingarbúnaðinum samanstendur af stillanlegum hugsunarblokkum (CLB), leitarborðum (LUT), flip-flopum (FF), margfaldara og forritanlegum tengingum. Þessar hlutir vinna saman til að framkvæma raunvirkar rökhugunaraðgerðir, tímasýnilegar venjur, samskiptamót og sérsniðna stjórnkerfi. Teljuleg fjöldi nútíma FPGA-tækja inniheldur einnig dýpra minnisblokkar, DSP-blokkar og sendi-móttakara fyrir hraða viðskiptamót eins og PCIe, Ethernet eða vídeómyndatengingar. Vegna þess eru FPGA oft notað í háa afköstum tölvur, tölvusignalvinnslu og FPGA-forrit sem krefjast raunverulega lægra latens.

Ólíkt örgjörvunaraðil, er FPGA venjulega sett með HDL forritunarmálum eins og VHDL eða Verilog. Þessi mál eru ekki forritunarmál í venjulegum skilningi. Þau eru tæknihönnunarmál sem skilgreina rökhugtök, tíma, gögnaleiðir, raunvirkja stýringu á rafmagnssignalum og staðahegðun. Þess vegna er þróun á FPGA venjulega kölluð forritun á vélbúnaðarstigi eða rökhugtökahönnun. Verkfræðingar segja ekki FPGA hvað gera skal í námu. Þeir lýsa hvernig tækin á að vera byggð og tengd á rökhugtökastigi. Það virkar, en það gerir þróunina einnig miklu erfiðari en forritun á stjórnvélum.

Aðalbyggingarblokka FPGA

Af hverju nota verkfræðingar FPGU

FPGU eru valdar þegar verki þarf:

Samhverfa útreikninga

Tæknihraði

Endurskipuleg vélbúnaður

Óvenjulega lágan latens

Sérsniðna notendaviðmót

Hraður smíðun

Skalanlega árangur

Til dæmis í tölvusýn, myndvinnslukerfum og myndsporavinnslu getur FPGU fínsniðið fjölda pixla eða gagnastrauma samtímis. Í viðskiptaútvarpskerfum getur það með háum hraða stýrt rökfræðilegum aðgerðum með ákvarðanlegum tíma. Í sjónvarps- og símtalstæknitæki getur það fínsniðið upplýsingastráuma við háa kostnaði án þess að bíða eftir að örgjörva klári einstaka skipunarlúppur. Þessi stig á stjórnun er ein af ásakunum fyrir því að FPGU eru oft notaðar í geimfara PCB-samsetningu, framleiðslu á nákvæmum tækjum og innbyggðum kerfum sem ekki mega þola óvissu í tíma.

Af hverju nota verkfræðingar FPGU

Míkrostýri, oft kallað MCU, er lítið tölvukerfi á einum chip sem er smíðað fyrir innbyggðar stjórnunaraðgerðir. Það inniheldur venjulega örgjörva (CPU), minni og aukatæki eins og tímatæki, A/D-umbreytara (ADC), viðmóti við notanda og forritanlega inntak/úttak í einu pakka. Öðruvísi en FPGA endurskipar míkrostýri ekki sjálf sér tækin. Í staðinn keyrir það innbyggða hugbúnað eða fjölbreytilegan hugbúnað (firmware) sem segir chipinu nákvæmlega hvernig á að virka. Þess vegna er venjulega auðveldara að læra að nota míkrostýri en að þróa FPGA.

Míkrostýringareiningar eru framleiddar fyrir djúpt innbyggða tæknitilvirkni og rauntímaforrit þar sem markmiðið er að lesa inntök, taka ákvarðanir og stýra úttökum á vel heppnaðan hátt. Þær eru algengast í neytendaforritum, viðskiptatæki, hreinlægum tæki, heimilisvæðum, bílaeikrunum og IoT-tæki. Þær eru sérstaklega metnar fyrir áreiðanleika míkrostýringareininga, verðmæti míkrostýringareininga og lágan orkaánotu. Ef hönnunin þín krefst staðlaðs, öruggs og ekonomísks stýris er MCU venjulega fyrsta valið.

Margar MCU byggja á hönnunum eins og RISC-hönnun, ARM-míkrostýringarkjarnar eða ýmsar aðrar innbyggðar örgjörva fjölskyldur. Almennt eru míkrostýringareiningar flokkaðar í 8-bit, 16-bit og 32-bit línanir. . Þær eru venjulega forritaðar með tungumálum eins og C-forrit, innbyggð C++-forrit eða ýmis önnur fjármálshugbúnaðartól. Í mörgum kerfum stjórna þær inntökum, samspili, orkuuppsetningum og viðskiptum með mjög lágri orkaánotu.

Kernuhugstjórihlutar

Af hverju nota verkfræðingar mikrostýri

Mikrostýri eru forgöngustefð í kjölfarið á því að þau eru:

Ódýr mikrostýri fyrir framleiðslu

Auðvelt að innbyggja beint í prentplötuuppsetningu

Árangursrík fyrir tæki sem keyra á battíum

Auðveldara að greina villur í þeim en í FPGA

Vel hentug fyrir mikrostýriforrit í stjórnun og umsjá

Góð fyrir lágorkuforrit og daglega raunveruleg tæki

Venjuleg forrit fyrir mikrostýri

Snjallheimilisvæði tæki

Heimilisvél

Stýrikerfi fyrir bærileg raunvirk tæki

Raunvirk tæki fyrir bifreiðir

Iðnaðar stjórnkerfi

Fælingarhnútar

Farsímtæki

Viðskiptavörur fyrir neytendur

Aðalforþættir stjórnskýrslustýringar

Grunnraunvirk hugbúnaður stjórnskýrslustýringar

Lægra orkunotkun

Lægri verð en FPGA

Auðvelt að framleiða

Framfært mælingar

Stöðugt svæði styðja og tæknisvæði

Aðalmarkgangar stjórnunarhringsins

Takmarkaður samhliða meðhöndlun

Ekki í besta lagi fyrir sérsniðna tól með hröðun

Miklu minna viðlögunargildi en FPGA-hardwaran

Getur átt erfitt með raunverulega háhraða eða mjög sérstök verk

FPGA og háttstýringareiningar: Lykilmunasamhæfingar

Bestu greinarmörkunir milli FPGA og stjórnunarhringsins koma niður að hönnun, vinnsluhönnun, fjölbrúgðu og þróunaraðferð. FPGA er endurstillaðar hárgreinar, en stjórnunarhringur er stilltur örgjörva sem keyrir hugbúnað. Þessi eina munur áhrifar næstum allt annað sem tengist hvernig þeir virka, hvernig þeir eru forrituðir og hvernig þeir passa við PCB-lagningu.

Handbúnaðaruppbyggingu

FPGA er byggt úr rökræðisfrumum, forritanlegum tengingum og stillanlegum blokkum sem hægt er að setja saman í sérsniðna raunbreytilega rafrásir. Í mikrostýri er heildarhefðbundin örgjörva með ákveðið hönnun. Þú getur ekki breytt innri uppbyggingu MCU eins og þú getur sett saman FPGA. Þú getur aðeins breytt vélbúnaðinum (firmware). Þetta þýðir að FPGA getur orðið næstum hvaða tölubraut sem er, en MCU heldur áfram að vera sama og framkvæmir aðeins mismunandi forrit.

Framvindulíkan

FPGA framkvæmir jafnþætt framvindu. Margar rökræðisferðir geta keyrt samtímis. Mikrostýri framkvæmir raðframingu, þar sem skipanir eru framkvæmdar eina eftir annarri, jafnvel ef sumar verkefni eru háðar áskorunum (interrupt-driven) eða stýrðar af mörgum kjarnum. Þetta gerir FPGA sérstaklega sterk fyrir hraða upplýsingaframvindu og sérsniðna tíma-fínstýrð kerfi.

Forritunarstíll

FPGA-forritun notar HDL-mál eins og Verilog og VHDL.

Míkróstýringareiningar nota forritunarmál eins og C og C++.

Orka og kostnaður

Míkróstýringareiningar nota venjulega miklu minna orku og eru ódýrari. FPGA-gerðir krefjast venjulega miklu meiri orku, því að þær eru hannaðar fyrir fjölbreytilega rökfræði og fljóta vinnslu. Víxlverðið er að FPGA-gerðir geta unnið með erfðari afköstumálefni.

Samanburðartöflu

FPGA gegn örgjörva: Aðalstefnur samanburðar

Þótt þau séu í raun mismunandi innan í sér, deila FPGA- og örgjörvaskerfum sumar lykilstefnur. Bæði eru notað í innbyggðum kerfum, bæði geta verið sett á prentaðra kringluskjöld, og bæði geta tengst inntökum og úttökum í raunveruleikanum. Til að segja einfaldlega, þau eru bæði tól til að smíða lausnir fyrir innbyggð tölvukerfi.

Sameiginlegar stefnur

Bæði eru forritanleg.

Bæði eru notað í þróun innbyggðra tæknisvara.

Bæði geta stýrt skynjum, tengingum og virkjunartælum.

Bæði styðja rauntímaframvinnu.

Bæði eru notað í framleiðslu rauntækna.

Báðir geta verið hluti af valkostum fyrir kerfi-á-síðu (SoC) eða rafraeðilegum innbyggðum kerfum.

Sameiginlegar hlutverk í vöruflokk.

Bæði FPGA og MCU geta:

Gripa upplýsingar frá tilfinningaeiningu.

Stjórna útkomum.

Tengjast samræmisbúsum.

Aðstoða við að halda kerfis tíma.

Keyra innan rafrænna stjórnkerfa.

Áttu að nota FPGA eða MCU á PCB-hólfnum þínu?

Svarið háð því hvaða markmið kerfið hefur, sérstaklega í PCB-hönnun og PCB-sniði. Val á örgjörvinn áhrifar fjölda pínna, sendistofnunar, aflskiptingar, hita, verðs og líka fjölda laganna á borðinu. Þess vegna verður að bera saman örgjörva fyrir innbyggð kerfi á upphafi vöruþróunar, ekki eftir að borðið er þegar búið.

Þegar mikrostjórnandi er áskiljanlega betri val

Veldu MCU þegar þú þarft:

Ódýrt.

Lægri orkunotkun.

Einfaldari stjórnun innbyggðra tækja.

Lítil líkamleg áhrif.

Auðvelt að uppfæra fjarmware.

Óflókið tenging við síma.

Þegar FPGA er rökræktara

Veldu FPGA þegar þú þarft:

Háhraða útreikninga.

Sama ferli.

Persónuð viðmót.

FPGA-hraði.

Flókinn tímasýniskontroll.

Endurstilling verkfæra.

Miklu betri framleiðsla en hugbúnaðarvinnanda getur veitt.

FPGA eru venjulega notað í sjónvarps- og símakerfum, viðskiptaútvarpskerfum, forritum fyrir táklafræði og háþróaðri mælitækni.

Hagsmunalegar tillit til PCB-hönnunar fyrir FPGA

FPGA-kort krefjast venjulega:

BGA-pakkar.

HDI PCB stýring.

Míkróvía.

Vörn um örugga táknastöðugleika.

Öruggur orkuflæði.

Ítarleg undirbúningur fyrir hitaleiðslu.

Meiri lagatal í lagastökkum.

Takmarkanir við PCB-hönnun fyrir mikrostýri

MCU-plötur eru venjulega einfaldari að framleiða vegna þess að:

Fjöldi pínna er minnkaður.

Orkufletar eru einfaldari.

Framfærsluþéttleiki er aukalega þægilegur.

Hólfuppbygging borðs er venjulega miklu einfaldari.

Praktísk samanburður fyrir PCB-hönnuða

FPGA og örgjörva: Geta þeir verið notaðir saman?

Já – og í nokkrum sofistikuðum kerfum gera þeir það. Þversamsetningarkerfi er venjulega skilvirkasta leiðin til að sameina styrk báðra nýjum tækni. Míkrostýringarstýrikerfið (microcontroller) sér um almennt stýringar-, samspils- og fjölbyggingarverk, en FPGA-hlutinn sér um gögn-þyngd eða tíma-kritíska ferli. Þetta er hefðbundin dæmi um samhönnun vélbúnaðar og hugbúnaðar.

Af hverju virka hybrid-hönnunarkerfi vel

Míkrostýringarstýrikerfi er vel hent fyrir:

Rásupphaf og kerfisupphaf.

Vegna skynjara.

Viðmótið.

Ferlisstýring.

Lágaorðu stýring.

FPGA er framúrskarandi fyrir:

Sama gagnahöndlun.

Rauntíma tölvusignalshöndlun.

Gæði AI.

Myndbandshöndlun.

Persónuleg tímasamstilling á viðbrögðum.

Hlutdráttur af hybridkerfum

Miklu betri áreiðanleika- og stöðugleikastig.

Lágmarkað áhætta miðað við að þvinga eina örgjörvinn til að framkvæma allt.

Auðveldara að skipta verkefnum upp.

Gott skalanlegt.

Miklu áreiðanlegri notkun á silíkatekni.

Algengar hybrid-viðfangsefni

Örgjörva og FPGA: Fyrirvalin notkun eftir atvinnugrein

Margir markaðir velja mismunandi örgjörvur eftir því hvaða áhyggjur þeir hafa. Sumir leggja mestan vigt á kostnað og einfaldleika. Aðrir leggja mestan vigt á hraða og ákvarðanlegar aðgerðir tækjanna. Þess vegna eru FPGA-forrit og forrit fyrir smástýringaraðilar oftast flokkuð eftir markaði.

Atvinnugreinar sem oft velja smástýringaraðila

Smástýringaraðilar eru venjulega forgangur í:

Notandans rafræn tæki.

Bærileg tæki.

Tækjaskrá.

Ódýr IoT-tæki.

Farsíma rafræn tól.

Grunnviðskiptastýrslukerfi.

Þessi vörur þurfa almennt litla vídd, minna orkunotkun og ódýr framleiðsla.

Atvinnugreinar sem nota oftast FPGA

FPGA eru almennt forgönguð í:

Geimfaraforrit.

Samskiptatæki.

Háhraða mælitæki.

Nýjasta klínísk myndavinnsla.

Varnarrafræn tæki.

Tölvukerfis sjónkerfi.

Iðnaðarlegar forritstýringar á rafmagnshreyfum með flókinni tímasamræmi.

Þessar greinar krefjast almennt hávaxinna innbyggðra kerfa, sérsníðinnar rökfræðingar og ákveðinna tímasamræma.

Greinar sem nota bæði

Tæknitæki fyrir bíla.

Róbotík vinnuskrá.

Iðnaðarleg tölvutæki.

Fagleg tæknitæki.

Áframhaldandi samspilskerfi.

Yfirlit yfir viðskiptaáhuga í iðnaðinum

Ályktun

Valið á milli FPGA og smástjórnanda er í raun val á milli endursamsettan viðfangsefna og áhrifavænna fastvirka stjórnunar. FPGA eru best í notkun þegar þörf er á sama vinnuskrá, innbyggt raftæki, tæknilega sniðugleika, sérsniðnum tíma- og hraðvirkum upplýsingaflutningi. Smástjórnendur eru best í notkun þegar þörf er á lægri orkunotkun, kostnaðaraukna og minna flókna þróun fyrir innbyggð kerfi sem miða að stjórnun.

Hugtakið er ekki algengast að eitt sé miklu betra en hitt. Það besta valið byggir á verkefninu þínu, fjármagnsáætluninni, framleiðslumarkmiðunum og takmörkunum á PCB. Ef vörurnar þínar þurfa einfaldan stjórnvél, er mikrostjórnvél venjulega betri lausnin. Ef þær þurfa sérsniðna rökfræði eða mikla upplýsingaflutning, er FPGA venjulega sterka lausnin. Ef verkefnið þitt er flókið, gæti besta leiðarinnar verið að nota bæði saman á sama borði.

Algengar spurningar

Hverjar eru mismunirnir á milli FPGA og mikrostjórnvélar?

FPGA er endurskilyrðileg tækniskrá, sem framkvæmir ferli í samskiptum. Mikrostjórnvél er fastur örgjörva sem keyrir fjölnotendaskrá (firmware) fyrir raðbundin stjórnverkefni.

Getur FPGA skipt fyrir mikrostjórnvél?

Venjulega, en ekki alltaf. FPGA getur unnið nokkur stjórnverkefni, en það er venjulega ekki ein besta leiðin fyrir einföld, lágorku notkun.

Geta FPGA og mikrostjórnvél samstarfa?

Já. Ýmsir kerfi nota MCU til stjórnunar og FPGA fyrir hraða upplýsingaflutning eða hraða tæknisins.

Er FPGA miklu betra en smástýrisvélir?

Ekki alltaf. FPGA er betra fyrir fjölbyggingu, samhliða og háar afköst. Smástýrisvélir eru betri fyrir einföld, ódýr og lágorku notkun.

Hvað er betra fyrir innbyggð kerfi?

Það kemur ekki áfram. Fyrir einfaldar stjórnunaraðgerðir skal nota smástýrisvél. Fyrir hraða rökfræði eða sérsniðna meðferð skal nota FPGA.