FPGA לעומת מיקרו-בקר: ההבדלים והדמיונות העיקריים

FPGA לעומת מיקרו-בקר: ההבדלים והדמיונות העיקריים

FPGA ומיקרו-בקרים: הבנת ההבדלים העיקריים

תוכן העניינים

• מבוא
• מהו הגדרת FPGA?
• מהו מיקרו-בקר?
• FPGA ומיקרו-בקרים: ההבדלים העיקריים
• FPGA לעומת מיקרו-בקר: הדמיון העיקרי
• האם להשתמש ב-FPGA או במיקרו-בקר בלוח ה-PCB שלכם?
• FPGA ומיקרו-בקר: האם ניתן להשתמש בהם יחד?
• מיקרו-בקר ו-FPGA: יישומים מועדפים לפי תחום תעשייתי
• מסקנות
• שאלות נפוצות

מבוא

בחירת FPGA לעומת מיקרו-בקר היא אחת הבחירות החשובות ביותר במערכות משובצות. עיצוב PCB המעבד שבוחרים משפיע על הביצועים, על צריכת הכוח, על המהירות, על זמן הפיתוח וגם על האופן שבו יש לסדר את לוח המעגלים. במספר פרויקטים, הבחירה הזו קובעת את כל המוצר. FPGA  (FPGA) מספק עיבוד מקבילי חזק וגמישות בכלים, בעוד שמיקרו-בקר מספק מחשב משובץ פשוט ויעיל ליישומים enfocused על בקרה.

ברמה גבוהה, ההבדל הוא כדלקמן: FPGA הוא ציוד ניתן להגדרה מחדש, בעוד שמיקרו-בקר הוא מערכת מחשב חד-שבבת המבוצרת לביצוע הוראות באופן סדרתי. זה מצביע על כך ש-FPGA נבחר בדרך כלל כאשר יש צורך בהיגיון מותאם אישית, עיבוד נתונים במהירות גבוהה או מהירות חומרתית. מיקרו-בקר נבחר לרוב כאשר יש צורך בשימוש נמוך יותר באנרגיה, מחיר נמוך יותר וקלות רבה יותר בתפעול המיקרו-בקר. שניהם משמשים באופן רגיל בעיצוב כלים אלקטרוניים משובצים, אך הם פותרים בעיות שונות.

ההבדל הזה נובע מהעובדה שדברים מודרניים הם מורכבים בהרבה יותר מאשר בעבר. מכשירים עלולים להזדקק לבדיקת מכשירים, לחיבור דרך רשת אthernat או אוטובוס קונטיינרים, לעיבוד וידאו, להפעלת לולאות בקרה בזמן אמת ולניהול צריכת החשמל – כולם בו זמנית. ברוב המקרים, מיקרו-בקר הוא מספיק. במקרים אחרים, FPGA הוא פתרון טוב בהרבה. ובמערכות מתוחכמות, שניהם עלולים לפעול יחד על אותו לוח כדי לאזן בקרה, מחיר ואפקטיביות.

עובדות מהירות

דוגמה פרקטית

דמיינו את ייצור מצלמה יצירתית. אם המכשיר דורש רק לבדוק לחצנים, לנהל יחידת חישה ולשלוח מידע על תקלות — מיקרו-בקר עלול להיות מספיק. עם זאת, אם המצלמה חייבת לבצע עיבוד וידאו במהירות גבוהה, ביצועים גבוהים, שיפור תמונה בזמן אמת או הסקת מסקנות מבוססת בינה מלאכותית — FPGA עלול להיות הבחירה הטובה יותר, כיוון שהוא מסוגל לטפל במספר רב של משימות במקביל עם עיכוב נמוך מאוד. זהו הסוג של פשרה שע designers מתמודדים עמו מדי יום בשלב יצירת אבות טיפוס של כלים דיגיטליים ופיתוח מוצרים.

הגדרת FPGA ?

FPGA, או מגוון שערים מתוכנתים לפי אזור (Area Programmable Gateway Variety), הוא סוג של מכשיר מחשב מתוכנת המאפשר למפתחים להגדיר את פעולות החומרה לאחר שיוצרה המgrave. זהו הרעיון המרכזי מאחורי תוכניות FPGA: במקום לכתוב יישום תוכנה שפועל על מעבד קבוע, אתה יוצר את החומרה עצמה כדי לבצע פונקציה מסוימת. זה הופך את ה-FPGA למשהו שונה מאוד ממיקרו-בקר. מיקרו-בקר מבצע הוראות באופן סדרתי, בעוד ש-FPGA יכול לבצע מספר פעולות במקביל באמצעות עיבוד מקבילי.

FPGA מתפתח מרצף עצום של רכיבי לוגיקה מתוכנתים, משאבים להעברת אותות ובלוקי קלט/פלט. אחד מהרכיבים הבסיסיים הנפוצים ביותר כולל בלוקי לוגיקה מתוכנתים (CLBs), טבלאות חיפוש (LUTs), פליפ-פלופים (FFs), מולטיפלקסרים וקשרים מתוכנתים. רכיבים אלו עובדים יחד כדי לבצע לוגיקה אלקטרונית, התאמות זמנים, ממשקי תקשורת ומערכות בקרה מותאמות אישית. מגוון רחב של מכשירי FPGA מודרניים כוללים גם בלוקי זיכרון מעובקים, בלוקי DSP וטרנסיצ'יברים לממשקים מהירים כגון PCIe, Ethernet או קישורים לווידאו. כתוצאה מכך, FPGAs משמשים לעיתים קרובות במחשבים בעלי ביצועים גבוהים, ביישומים לעיבוד אותות, וביישומים המחייבים דמיון נמוך במיוחד.

בניגוד למיקרופרוססור, FPGA בדרך כלל מתוכנתת בשפות תכנות HDL כגון VHDL או Verilog. אלו אינן שפות יישום תוכנה במובן הרגיל. הן שפות תיאור מכשירים שמגדירות כניסות לוגיות, זמנים, מסלולי מידע, עיבוד אותות אלקטרוניים והתנהגויות מצב. לכן, פיתוח FPGA נקרא בדרך כלל תכנות ברמת החומרה או סגנון לוגי. מהנדסים לא מורים ל-FPGA מה לעשות באופן מפורש. הם מתארים כיצד יש לבנות את המכונה ולחבר אותה בסגנון לוגי. זה עובד, אך בנוסף גורם לפיתוח להיות הרבה יותר מורכב מאשר תכנות של מיקרו-בקר.

בלוקי בנייה מרכזיים של FPGA

למה מהנדסים משתמשים ב-FPGA

בוחרים FPGA כאשר העבודה דורשת:

חישוב זהה

שיעור ציוד

חומרה ניתנת מחדש לתצורה

עיכוב נמוך באופן ייחודי

ממשקים משתמש מותאמים אישית

Amodeling מהיר

יעילות הניתנת להרחבה

לדוגמה, בתחום ראיית המחשב, מערכות עיבוד תמונות ומערכות עיבוד אותות וידאו, FPGA יכול לעבד מספר פיקסלים או זרמי נתונים במקביל. במערכות אוטומציה מסחריות, הוא יכול לטפל בהסקת החלטות בשליטה במהירות גבוהה עם זמן תגובה דטרמיניסטי. בציוד תקשורת, הוא יכול לדייק זרמי מידע במהירויות גבוהות ללא צורך להמתין לסיום מחזור הוראות ב- CPU. מידת הבקרה הזו היא אחת הסיבות לכך ש- FPGA משמשים לעיתים קרובות במontage של לוחות חיבור אלקטרוניים (PCB) באסטרונאוטיקה, במכשירים ניידים מתפתחים ובמערכות משובצות שלא יכולות לסבול אי-ודאות בזמן.

למה מהנדסים משתמשים ב-FPGA

מיקרו-בקר, הנקרא בדרך כלל MCU, הוא מערכת מחשב קטנה על שבב בודד שתוכננה לביצוע משימות בקרה מובנות. הוא כולל בדרך כלל יחידת עיבוד מרכזית (CPU), זיכרון ורכיבים פריפריאליים כגון טיימרים, ממירים אנלוגיים-דיגיטליים (ADC), ממשקי משתמש לתקשורת וממשק קלט/פלט מתוכנתים, כולם באינטגרציה אחת. בניגוד ל-FPGA, המיקרו-בקר אינו מבצע את התאמה מחדש של ההתקן עצמו. במקום זאת, הוא מריץ תוכנת יישום או פירם וארה מובנית שקובעת באופן ספציפי כיצד יש לפעול את השבב. מסיבה זו, פיתוח יישומים למיקרו-בקרים הוא בדרך כלל פשוט יותר מאשר פיתוח FPGA.

מיקרו-בקרים מיוצרים ליישומים של בקרה על מכשירים מעומק ותהליכים משובצים בזמן אמת, כאשר המטרה היא לקרוא קלטים, לבצע החלטות ולשלוט בתוצאות בהצלחה. הם שולטים במוצרי לקוחות, בקרות מסחריות, ציוד לביש, מכשירי בית, אלקטרוניקה לרכב ומכשירי IoT. הם מוערכים במיוחד בשל יעילות המיקרו-בקר, עלות נמוכה של המיקרו-בקר וצריכת חשמל מצומצמת. אם העיצוב שלכם דורש בקרה סטנדרטית, אמינה וקטנה בעלויות, המיקרו-בקר (MCU) הוא בדרך כלל הבחירה הראשונה.

הרבה מהмיקרו-בקרים מבוססים על ארכיטקטורות כגון ארכיטקטורת RISC, ליבות מיקרו-בקרים מסוג ARM או משפחות מעבדים משובצות אחרות. הסיווגים העיקריים של המיקרו-בקרים הם דגמים של 8-ביט, 16-ביט ו-32-ביט. . הם בדרך כלל מתוכנתים בשפות כגון תוכניות C, תוכנות משובצות ב-C++ או כלים אחרים לתכנות פירמה. במספר מערכות הם אחראים לאיסוף נתונים, תקשורת, הגדרות כוח והפעלת ממשקים תוך שימוש בצריכת חשמל נמוכה ביותר.

רכיבי מיקרו-בקר מרכזיים

למה מהנדסים משתמשים במיקרו-בקרים

מיקרו-בקרים מועדפים בגלל ש...

מיקרו-בקרים זולים לייצור

קל לשלב ישירות בלוח מעגלים מודפסים (PCB)

יעילים למכשירים המופעלים על ידי סוללות

קל יותר לאבחן תקלות בהשוואה ל-FPGA

מצוינים ליישומי מיקרו-בקרים בבקרה ובמערכת ניטור

טובים ליישומים נמוכי-צריכה ולמכשירים אלקטרוניים יומיומיים

יישומים טיפוסיים של מיקרו-בקרים

גאדג'טים לבית חכם

מכשירי חשמל לבית

מערכות בקרת מכשירים אלקטרוניים לבישים

מכשירים אלקטרוניים לרכב

מערכות בקרת תעשייתיות

צמתים של יחידות חיישנים

מכשירים אלקטרוניים ניידים

מוצרי אלקטרוניקה לצרכן

יתרונות עיקריים של המיקרו-בקר

펌וורת בסיסית של מיקרו-בקר

הפחתת צריכת החשמל

מחיר מופחת לעומת FPGA

קל לייצור

מדידה ניידת

תמיכה באזור מוצק ואזור התקן

מגבלות המיקרו-בקר הראשי

הטיה מוגבלת של עיבוד מקבילי

לא אידיאלי להאצת כלים מותאמים אישית

פחות גמיש בהשוואה לחומרה מסוג FPGA

עשוי להתקשה בעבודות מהירות מאוד או מיוחדות במיוחד

FPGA ומיקרו-בקרים: ההבדלים העיקריים

ההבדלים העיקריים בין FPGA למיקרו-בקר נובעים מתכנון, מבנה עיבוד, גמישות ושיטת التطوير. FPGA הוא חומרה ניתנת לتكوين מחדש, בעוד שמיקרו-בקר הוא יחידת עיבוד מרכזית (CPU) אחת שמריצה תוכנה. ההבדל היחיד הזה משפיע כמעט על כל דבר אחר הקשור לאופן בו הם פועלים, לאופן בו הם מתוכנתים ולאופן בו הם מתאימים לתכנון של לוח מעגלים מדפסת (PCB).

ארכיטקטורת חומרה

FPGA נבנה מתאי לוגיקה, חיבורים מתוכנתים ובלוקים ניתנים תכנות שיכולים להיות מוגדרים כמעגלים אלקטרוניים מותאמים אישית. מיקרו-בקר הוא יחידת עיבוד מרכזית שלמה בעיצוב קבוע. לא ניתן לשנות את המבנה הפנימי של המיקרו-בקר באותה צורה שבה ניתן לתכנת FPGA. ניתן לשנות רק את התוכנה הזרומה שלו. זה אומר ש-FPGA יכול להפוך כמעט לכל מעגל דיגיטלי, בעוד שהמיקרו-בקר נשאר זהה בדיוק ומריץ רק קוד שונה.

מודל עיבוד

FPGA מבצע עיבוד מקבילי. מספר מסלולי לוגיקה יכולים לפעול בו זמנית. מיקרו-בקר מבצע עיבוד רציף, שבו הוראות מתבצעות אחת אחרי השנייה, גם אם חלק מהעבודות מופעלות על ידי הפרעות או מנוהלות על ידי מספר ליבות. זה הופך את ה-FPGA לכוח חזק במיוחד לעיבוד מידע במהירות גבוהה ולמערכות מותאמות אישית שרגישות לזמן.

סגנון תכנות

לתכנות FPGA משמשים שפות תיאור חומרה (HDL) כגון Verilog ו-VHDL.

המיקרו-בקר משתמש בשפות תכנות כמו C ו-C++.

הספק והעלות

מיקרו-בקרים בדרך כלל צורכים פחות ספק וזולות יותר. מעבדי FPGA בדרך כלל דורשים הרבה יותר ספק מכיוון שהם בנויים ללוגיקה גמישה ולעיבוד מהיר. הפער הוא שמעבדי FPGA יכולים להתמודד עם בעיות ביצועים מורכבות יותר.

טבלה השוואתית

FPGA לעומת מיקרו-בקר: הדמיון העיקרי

למרות שהן שונות זו מזו במציאות, מערכות ה-FPGA והמיקרו-בקרים חולקות כמה דמיונים חשובים. שתיהן משמשות במערכות משובצות, שתיהן יכולות להיות ממוקמות על לוח מעגלים מודפס, ושתיהן יכולות לתקשר עם קלטים ופלטים מהעולם האמיתי. במילים פשוטות, שתיהן כלים לפיתוח פתרונות מחשב משובצים.

דימיונים משותפים

שתיהן ניתנות לתכנות.

שתיהן משמשות בפיתוח ציוד משובץ.

שתיהן מסוגלות לנהל חיישנים, תקשורת ומפעלים.

שתיהן תומכות בעיבוד בזמן אמת.

שתיהן משמשות בייצור אלקטרוניקה.

שניהם יכולים להיות חלק מבחירות של מערכת על שבב (SoC) או מערכות משובצות היברידיות.

תפקידים משותפים במוצר

גם FPGA וגם MCU יכולים:

בדוק את מידע יחידת החישה.

לשלוט בתוצאות.

להתחבר לאוטובוסי תקשורת.

לסייע בניהול זמנים של המערכת.

להריץ בתוך מערכות בקרה אלקטרוניות.

האם להשתמש ב-FPGA או במיקרו-בקר בלוח ה-PCB שלכם?

התשובה תלויה במטרות המערכת שלכם, במיוחד בסגנון הלוח המודפס (PCB) ובפורמט שלו. בחירת ה-CPU משפיעה על מספר הפינים, עובי ההובלה, התפלגות הספק, חום, מחיר וכן על מספר השכבות של הלוח. לכן, השוואת מעבדי מערכות משובצות חייבת להיעשות בשלב מוקדם של פיתוח המוצר, ולא לאחר שהלוח כבר נוצר.

מתי מיקרו-בקר הוא הבחירה הגיונית יותר

בחרו מיקרו-בקר (MCU) כאשר אתם צריכים:

זול.

צמצום צריכת הספק.

שליטה פשוטה יותר במכשירים משובצים.

השפעה פיזית קטנה.

שדרוג קל של התוכנה ה firmware.

חיבור פשוט לחיישנים.

כשמיקרו-מעבד שדה-מתוכנת (FPGA) הוא הפתרון המתאים יותר

בחרו מיקרו-מעבד שדה-מתוכנת (FPGA) כאשר אתם צריכים:

עיבוד מהיר.

הליכים זהים.

ממשק מותאם אישית.

מהירות FPGA.

בקרת זמנים מורכבת.

הגדרת כלים מחדש.

תפוקה גבוהה בהרבה מאשר מעבד תוכנה יכול לספק.

FPGA משמשים בדרך כלל במערכות תקשורת, במערכות אוטומציה מסחריות, ביישומים לעיבוד אותות ובכלים מתקדמים.

שקולים לעיצוב PCB עבור FPGA

לוחות FPGA דורשים בדרך כלל:

אריזות BGA.

לוחות PCB בעלי צפיפות גבוהה (HDI) מכוונים.

מיקרו-חורים.

יציבות אותות זהירה.

אומנות חשמלית יציבה.

הכנה תרמית מתקדמת.

ערכות שכבות בעלות מספר רב יותר של שכבות.

שקולים לעיצוב לוחות PCB למיקרו-בקרים

לוחות MCU בדרך כלל פשוטים יותר לייצור בגלל:

מספר הפלגים קטן.

מעגלי הזנה פשוטים יותר.

העברת הצפיפות היא נוחה במיוחד.

מבנה הלוח בדרך כלל יכול להיות פשוט בהרבה.

השוואה מעשית לעצמי תכנון לוחות חיבור (PCB)

FPGA ומיקרו-בקר: האם ניתן להשתמש בהם יחד?

כן — ובמספר מערכות מתקדמות, הם אכן עושים זאת. תבנית היבридית היא בדרך כלל הדרך החכמה ביותר לשלב את היתרונות של שתי הטכנולוגיות המודרניות. המיקרו-בקר מתמודד עם פקודות הבקרה הכלליות, האינטראקציה והמשימות הקשורים ב펌וור, בעוד שה-FPGA מתמודד עם תהליכים כבדי נתונים או תהליכים שדורשים דיוק זמן גבוה. זהו מקרה קלאסי של תכנון משותף של חומרה ותוכנה.

למה תכנונים היברידיים עובדים טוב

מיקרו-בקר הוא מצוין עבור:

טעינה והפעלת המערכת.

מעקב אחר חיישנים.

.

ניהול תהליכים.

נחייה בשימוש נמוך באנרגיה.

FPGA הוא ייחודי עבור:

הטפלות באותם הפרטים.

הטפלות בסימנים בזמן אמת.

מהירות בינה מלאכותית.

הטפלות בקליפי וידאו.

תזמון אינטראקציה מותאם אישית.

יתרונות מערכת היברידית

יציבות יעילות טובה בהרבה.

סיכון מינימלי יותר מאשר לכפות על שבב אחד לבצע את כל המשימות.

חילוק משימות קל בהרבה.

יכולת הרחבה טובה.

שימוש מהימן בהרבה יותר בציוד סיליקון.

יישומים היברידיים נפוצים

מיקרו-בקר ו-FPGA: יישומים מועדפים לפי תחום תעשייתי

שווקים רבים בוחרים מעבדים שונים בהתאם לדאגותיהם. חלקם מודגשים בעיקר על עלות ופשטות. אחרים מודגשים בעיקר על מהירות ופעולות דטרמיניסטיות של כלים. לכן יישומי FPGA ויישומי מיקרו-בקרים נוטים להתכנס לפי שוק.

תעשייה המעדיפה בדרך כלל מיקרו-בקרים

מיקרו-בקרים מועדפים בדרך כלל ב:

התקנים דיגיטליים לצריכה.

לבוש אלקטרוני.

מכשירים.

התקני IoT זולים.

כלי אלקטרוניקה ניידים.

מערכות בקרה מסחריות בסיסיות.

למוצרים אלו יש בדרך כלל צורך בממדים קטנים, ייעול צריכת החשמל ויצור זול.

תעשייה שמעדיפה בדרך כלל מעבדים לוגיים מתוכנתים (FPGA).

מעבדים לוגיים מתוכנתים (FPGA) מועדפים בדרך כלל ב:

יישומים באסטרונאוטיקה.

ציוד תקשורת.

מכשירי מדידה בעלי מהירות גבוהה.

הדמיית קלינית מתקדמת.

מכשירי אלקטרוניקה לתחום ההגנה.

מערכות ראייה ממוחשבת.

יישומים של בקרים חשמליים לתעבורה תעשייתית עם זמונים מורכבים.

הsectורים האלה בדרך כלל דורשים מערכות משובצות בעלות ביצועים גבוהים, שיקול דעת מותאם אישית וזמינות דטרמיניסטית.

תעשייה המשתמשת בשני הסוגים

כלים אלקטרוניים לתחום האוטומוביל.

יישומי רובוטיקה.

כלים דיגיטליים תעשייתיים.

מכשירים אלקטרוניים מקצועיים.

מערכות אינטראקציה מתקדמות.

טבלת העדפות התעשייה

מסקנות

הבחירה בין FPGA למיקרו-בקר היא למעשה בחירה בין חומרה ניתנת להגדרה מחדש לבין בקרה יעילה עם פונקציות קבועות. FPGA מתאימים ביותר כאשר יש צורך בביצועי עיבוד זהים, במעגל משולב, בגמישות ציוד, בזמן מותאם אישית ובעיבוד מידע במהירות גבוהה. מיקרו-בקרים מתאימים ביותר כאשר נדרשים צריכת חשמל נמוכה, עלות נמוכה ופיתוח פשוט יותר למערכות משובצות enfocused על בקרה.

אף אחד מהם לא עדיף באופן מובהק. האופציה הטובה ביותר תלויה במשימת העבודה שלכם, בתוכנית ההשקעה שלכם, במטרות הביצועים שלכם ובמגבלות ה-PCB. אם הפריט שלכם דורש בקר בסיסי, מיקרו-בקר הוא בדרך כלל הפתרון המומלץ יותר. אם הוא דורש לוגיקה מותאמת אישית או עיבוד כמות גדולה של מידע, FPGA הוא בדרך כלל הבחירה החזקה יותר. אם הפרויקט שלכם מורכב, האופציה הטובה ביותר עלולה להיות שילוב של שניהם על אותו לוח.

שאלות נפוצות

מה ההבדלים בין FPGA למיקרו-בקר?

FPGA הוא ציוד ניתן לתכנות מחדש שמתפקד בעיבוד מקבילי. מיקרו-בקר הוא מעבד קבוע שמריץ תוכנה נכנסת (firmware) עבור משימות בקרה סדרתיות.

האם FPGA יכול להחליף מיקרו-בקר?

לעיתים כן, אך לא תמיד. FPGA יכול לטפל בחלק ממשימות הבקרה, אך בדרך כלל אינו אחד הפתרונות היעילים ביותר ליישומים פשוטים ובעלי צריכת חשמל נמוכה.

האם FPGA ומיקרו-בקר יכולים לתקשר זה עם זה?

כן. מערכות שונות משתמשות ב-MCU לבקרה וב-FPGA לעיבוד מידע מהיר או למהירות הציוד.

האם FPGA טוב יותר בהרבה ממיקרו-בקרים?

לא תמיד. FPGA טוב יותר למשימות מורכבות, מקביליות וביצועים גבוהים. מיקרו-בקרים טובים יותר ליישומים פשוטים, זולים ובעלי צריכת חשמל נמוכה.

מה טוב יותר למערכות משובצות?

התשובה תלויה ביישום. עבור בקרה פשוטה, השתמש במיקרו-בקר. עבור שיקול מחשבתי במהירות גבוהה או עיבוד מותאם אישית, השתמש ב-FPGA.