FPGA pret mikrokontroleri: galvenās atšķirības un līdzības

FPGA pret mikrokontrolēri: galvenās atšķirības un līdzības

FPGA un mikrokontrolēri: galveno atšķirību izpratne

Saturs

• Ievads
• Kas ir FPGA?
• Kas ir mikrokontrolēris?
• FPGA un mikrokontrolēri: galvenās atšķirības
• FPGA pret mikrokontrolieri: Galvenās līdzības
• Vai jums vajadzētu izmantot FPGA vai MCU savā PCB?
• FPGA un mikrokontrolētājs: Vai tos var izmantot kopā?
• Mikrokontrolētājs un FPGA: Vairāk izmantotās lietojumprogrammas pēc nozares
• Secinājums
• Bieži uzdavami jautājumi

Ievads

Izvēle starp FPGA un mikrokontrolētāju ir viena no svarīgākajām izvēlēm iegultajos sistēmās un PCB dizains . Izvēlētais procesors ietekmē veiktspēju, enerģijas patēriņu, ātrumu, attīstības laiku, kā arī to, kā jāizvieto jūsu печатная плате. Dažos projektos šī izvēle nosaka visu izstrādājumu. FPGA  (FPGA) var nodrošināt spēcīgu paralēlo apstrādi un lielu elastību, kamēr mikrokontrolētājs piedāvā vienkāršu, efektīvu iegulto datoru vadības orientētām lietojumprogrammām.

Vispārīgi runājot, atšķirība ir šāda: FPGA ir pārkonfigurējama iekārta, kamēr mikrokontrolērs ir vienchipu datora sistēma, kas izveidota secīgu instrukciju izpildei. Tas nozīmē, ka FPGA parasti izvēlas tad, ja nepieciešama pielāgota loģika, aug ātruma datu apstrāde vai aparatūras ātrums. Mikrokontrolēru parasti izvēlas tad, ja nepieciešams zemāks enerģijas patēriņš, zemāka cena un vienkāršāka mikrokontrolēra izmantošana. Abi tiek plaši izmantoti iegulto elektronisko ierīču projektēšanā, tomēr tie risina dažādas problēmas.

Šis kontrasts ir saistīts ar to, ka modernās lietas ir daudz sarežģītākas nekā jebkad agrāk. Ierīcēm var būt nepieciešams pārbaudīt ierīču izvēli, savienoties caur Ethernet vai konteineru autobusu, apstrādāt video, izpildīt reāllaika vadības ciklus un vienlaicīgi risināt jautājumus, kas saistīti ar enerģijas pārvaldību. Dažos gadījumos pietiek ar mikrokontroleri. Citos gadījumos labāk piemērota ir FPGA. Savukārt sarežģītās sistēmās abas ierīces var darboties kopā uz vienas un tās pašas plates, lai stabilizētu vadību, izmaksas un efektivitāti.

Ātri fakti

Praktisks piemērs

Iedomājieties kreatīvas kameras izveidi. Ja ierīcei ir jānovērtē tikai pogas, jāpārvalda sensora vienība un jānosūta kļūdu informācija, mikrokontrolētājs var būt pietiekams. Tomēr, ja kamerai ir jāveic aug ātruma video apstrāde, augsta veiktspēja, reāllaika attēlu uzlabošana vai mākslīgā intelekta secināšana, FPGA var būt daudz labāka izvēle, jo tā spēj paralēli apstrādāt vairākas uzdevumu virknes ļoti zemā latencē. Tieši šādas kompromisa situācijas dizaineri ikdienā risina digitālo ierīču prototipēšanā un lietu izstrādē.

FPGA definīcija ?

FPGA (Field-Programmable Gate Array) ir veids programmējamas loģikas ierīces, kas ļauj dizaineriem definēt ierīces funkcijas pēc tam, kad čips jau ir izgatavots. Tas ir galvenais princips, uz kura balstās FPGA programmēšana: nevis rakstot programmatūru, kas darbojas uz fiksēta procesora, bet gan izveidojot pašu aparatūru, lai tā veiktu konkrētu funkciju. Tādējādi FPGA pamatā atšķiras no mikrokontrolēra. Mikrokontrolērs var izpildīt instrukcijas secīgi vienu pēc otras, kamēr FPGA var vienlaikus veikt vairākas operācijas, izmantojot paralēlo apstrādi.

FPGA tiek izstrādāta no liela programējamu loģikas elementu režģa, pārnesešanas resursiem un I/O blokiem. Vieni no visbiežāk sastopamajiem būvblokiem ir konfigurējamie loģikas bloki (CLB), meklēšanas tabulas (LUT), trigeri (FF), multiplexori un programējami savienojumi. Šie komponenti kopā veic elektronisko loģiku, laika noteikšanas funkcijas, sakaru lietotāja interfeisus un pielāgotas vadības sistēmas. Daudzas modernās FPGA ierīces turklāt ietver iebūvētus atmiņas blokus, DSP blokus un transceiverus ātrām saskarnēm, piemēram, PCIe, Ethernet vai video signālu savienojumiem. Tāpēc FPGA bieži izmanto augstas veiktspējas datoros, signālu apstrādē un FPGA lietojumprogrammās, kurām nepieciešams patiešām zems latence.

Atšķirībā no mikroprocesora FPGA parasti tiek programmēts, izmantojot HDL programmēšanas valodas, piemēram, VHDL vai Verilog. Tās nav parastās programmatūras lietojumprogrammu valodas. Tās ir ierīču apraksta valodas, kas definē loģiskās ieejas, laika parametrus, datu ceļus, elektrisko signālu apstrādi un stāvokļa uzvedību. Tāpēc FPGA izstrādi parasti sauc par aparatūras līmeņa programmēšanu vai loģisko dizainu. Inženieri nevada FPGA, norādot, ko tas jādara konkrēti. Viņi apraksta, kā iekārtai jābūt izveidotai un savienotai loģiskā līmenī. Tas darbojas, taču tas papildus padara izstrādi daudz sarežģītāku nekā mikrokontrolēra programmēšanu.

Galvenie FPGA būvkonstrukcijas bloki

Kāpēc inženieri izmanto FPGA

FPGAs tiek izvēlēti, kad ir nepieciešams:

Identiskas aprēķināšanas veikšana

Iekārtu darbības ātrums

Pārkonfigurējama aparatūra

Īpaši zems latence

Pielāgoti lietotāju interfeisi

Ātra prototipu veidošana

Mērogojama efektivitāte

Piemēram, datora redzes sistēmās, attēlu apstrādes sistēmās un video signālu apstrādē FPGA var vienlaicīgi apstrādāt vairākus pikseļus vai datu plūsmas. Komerciālajās automatizācijas sistēmās tā var veikt augsto ātrumu vadības aprēķinus ar noteiktu laika norādi. Telekomunikāciju iekārtās tā var precīzi pielāgot informācijas plūsmas ar augstām ātrumām, negaidot, kamēr CPU pabeidz atsevišķas komandas izpildes ciklus. Šis kontroles līmenis ir viens no iemesliem, kāpēc FPGA bieži tiek izmantotas kosmosa rūpniecības PCB montāžā, turpinot uzlabot ierīces un iebūvētās sistēmas, kurām nav pieļaujama laika nenoteiktība.

Kāpēc inženieri izmanto FPGA

Mikrokontrolētājs, parasti saukts par MCU, ir maza datora sistēma vienā čipā, kas izveidota iestrādātām vadības uzdevumu veikšanai. Tajā parasti ietilpst CPU, atmiņa un perifērijas ierīces, piemēram, taimeri, analogā-digitalie pārveidotāji (ADC), interakcijas lietotāja saskarnes un programmējami I/O vienlaikus vienā komplektā. Atšķirībā no FPGA mikrokontrolētājs pats nerekonfigurē ierīces. Tas gan izpilda iestrādāto programmatūras vai firmware lietojumprogrammu, kas norāda čipam, kā tieši rīkoties. Tāpēc mikrokontrolētāju izstrāde parasti ir vienkāršāka apgūt nekā FPGA izstrāde.

Mikrokontroleri tiek ražoti dziļi iestrādātām ierīču vadības un reāllaika iestrādātām lietojumprogrammām, kur mērķis ir veiksmīgi nolasīt ievades, veikt izvēli un ģenerēt rezultātus. Tie dominē patēriņa preču, komerciālo vadības ierīču, valkājamās tehnoloģijas, mājsaimniecības ierīču, automobiļu elektronikas un IoT ierīču jomā. Tos īpaši vērtē par mikrokontroleru efektivitāti, mikrokontroleru izmaksām un samazināto enerģijas patēriņu. Ja jūsu projekts prasa standarta, drošu un ekonomisku vadību, mikrokontroleris (MCU) parasti ir pirmā izvēle.

Dažādi MCU balstās uz arhitektūrām, piemēram, RISC arhitektūru, ARM mikrokontroleru kodoliem vai citām daudzskaitlīgām iestrādātām procesoru ģimenēm. Mikrokontroleru galvenās klasifikācijas ir 8-bitu, 16-bitu un 32-bitu modeļi. . Parasti tos programmē, izmantojot valodas, piemēram, C programmas, C++ iestrādātās programmas vai citas firmware izstrādes rīku sistēmas. Dažās sistēmās tie nodrošina sensoru datu iegūšanu, sadarbību, enerģijas konfigurāciju un interfeisu, vienlaikus patērējot ļoti maz enerģijas.

Galvenās mikrokontrolētāja komponentes

Kāpēc inženieri izmanto mikrokontrolerus

Mikrokontroleri ir vairāk pieprasīti, jo tie ir:

Lēti mikrokontroleri ražošanai

Viegli integrējami tieši PCB izgatavošanā

Efektīvi bateriju barotiem ierīcēm

Viegli diagnostizējami salīdzinājumā ar FPGA

Izcilas mikrokontroleru lietojumprogrammas vadības un uzraudzības jomā

Piemēroti zemas jaudas lietojumiem un ikdienas elektroniskajām ierīcēm

Tipiskas mikrokontrolētāju lietojumprogrammas

Gudrie mājas ierīces

Mājsaimniecības iekārtas

Valkājamu elektronisko ierīču vadības sistēmas

Automobiļu elektroniskās ierīces

Industriālās vadības sistēmas

Jutīguma vienību mezgli

Mobilās elektroniskās ierīces

Patēriņa elektronika

Galvenās mikrokontrolētāju priekšrocības

Pamata mikrokontrolētāju programmatūra

Samazināta enerģijas patēriņa

Zemāka cena nekā FPGA

Viegli ražot

Mobilās mērīšanas iespējas

Cieša apgabala atbalsta un ierīces apgabala nodrošināšana

Galvenā mikrokontrolera ierobežojumi

Ierobežota paralēla apstrāde

Nav piemērots pielāgotu rīku paātrināšanai

Daudz mazāk elastīgs nekā FPGA aprīkojums

Var saskarties ar ļoti augstas ātruma vai ļoti specializētām uzdevumiem

FPGA un mikrokontrolēri: galvenās atšķirības

Labākās FPGA un mikrokontrolera atšķirības galvenokārt saistītas ar dizainu, apstrādes struktūru, elastību un attīstības metodi. FPGA ir pārkonfigurējama aparatūra, kamēr mikrokontroleris ir noteikts CPU, kas izpilda programmatūru. Šī vienīgā atšķirība ietekmē gandrīz visu pārējo — kā tie darbojas, kā tie tiek programmēti un kā tie iekļaujas PCB izkārtojumā.

Aparatūras arhitektūra

FPGA ir veidota no loģikas šūnām, programmējamām savienojumiem un konfigurējamām blokiem, kurus var izveidot tieši pielāgotos elektroniskos risinājumus. Mikrokontrolērs ir pilnvērtīgs centrālais procesors ar paredzētu dizainu. Jūs nevarat mainīt MCU iekšējo struktūru tāpat kā varat konfigurēt FPGA. Jūs varat mainīt tikai tā programmatūru. Tas nozīmē, ka FPGA var kļūt gandrīz par jebkuru digitālo shēmu, kamēr MCU paliek nemainīgs un vienkārši izpilda dažādu kodu.

Apstrādes modelis

FPGA veic paralēlu apstrādi. Vairākas loģiskās darbības var būt aktīvas vienlaikus. Mikrokontrolērs veic secīgu apstrādi, kur instrukcijas tiek izpildītas viena pēc otras, pat ja dažas darbības ir pārtraukumu vadītas vai nodrošina vairāku kodu darbību. Tas padara FPGA īpaši spēcīgu augstas ātruma datu apstrādei un pielāgotiem, laikā jutīgiem sistēmām.

Programmēšanas stils

FPGA izstrādē izmanto HDL valodas, piemēram, Verilog un VHDL.

Mikrokontroleri izmanto programmatūras lietojumprogrammu valodas, piemēram, C un C++.

Jauda un izmaksas

Mikrokontroleri parasti patērē daudz mazāk enerģijas un ir lētāki. FPGA parasti prasa daudz vairāk enerģijas, jo tās ir izstrādātas elastīgai loģikai un augsts ātruma apstrādei. Samaksa ir tāda, ka FPGA var risināt sarežģītākas veiktspējas problēmas.

Salīdzināšanas tabula

FPGA pret mikrokontrolieri: Galvenās līdzības

Kaut arī tās patiesībā ir dažādas iekšēji, FPGA un mikrokontrolieru sistēmas kopīgo dažas būtiskas līdzības. Abas tiek izmantotas iegultajās sistēmās, abas var tikt novietotas uz печатной платы (PCB), un abas var komunicēt ar reālās pasaules ievadiem un izvadiem. Vienkārši sakot, tās ir abas rīki iegulto datoru sistēmu risinājumu izstrādei.

Kopīgās līdzības

Abas ir programmējamas.

Abas tiek izmantotas iegultās iekārtas izstrādē.

Abas var apstrādāt sensorus, komunikāciju un izpildmehānismus.

Abas atbalsta reāllaika apstrādi.

Abas tiek izmantotas elektronikas ražošanā.

Abi var būt sistēmas vienā čipā (SoC) izvēles vai hibrīda iebūvēto sistēmu daļa.

Kopīgās lomas produktā

Abi FPGA un MCU var:

Pārskatīt sensoru vienības informāciju.

Regulēt rezultātus.

Sadarboties ar komunikācijas magistrālēm.

Palīdzēt nodrošināt sistēmas laika vadību.

Darboties elektronisko vadības sistēmās.

Vai jums vajadzētu izmantot FPGA vai MCU savā PCB?

Atbilde ir atkarīga no jūsu sistēmas mērķiem, īpaši PCB dizaina un PCB formāta ziņā. Procesora izvēle ietekmē kontaktligzdu skaitu, signālu platumu, jaudas sadali, siltuma izdalīšanu, cenu un arī PCB slāņu skaitu. Tāpēc iebūvētās sistēmas procesora salīdzinājums ir jāveic agrīnā izstrādes posmā, nevis pēc tam, kad dēlis jau ir izgatavots.

Kad mikrokontroleris ir loģiskāka izvēle

Izvēlieties MCU, kad jums ir nepieciešams:

Lēti.

Samazināta enerģijas patēriņa.

Vienkāršāka iebūvēto ierīču vadība.

Mazs fizisks ietekmes apjoms.

Viegla programmatūras atjaunināšana.

Vienkārša sensoru savienošana.

Kad FPGA ir lietderīgāka izvēle

Izvēlieties FPGA, kad jums ir nepieciešams:

Augsta ātruma aprēķināšana.

Identiskas procedūras.

Personalizēta lietotāja saskarne.

FPGA ātrums.

Sarežģīta laika regulēšana.

Rīku pārkonfigurēšana.

Daudz lielāka caurlaide nekā to var nodrošināt programmatūras procesors.

FPGA parasti izmanto telekomunikāciju sistēmās, komerciālās automatizācijas sistēmās, signālu apstrādes lietojumprogrammās un augstākā līmeņa instrumentos.

PCB projektēšanas apsvērumi FPGA ierīcēm

FPGA plates parasti prasa:

BGA iepakojumus.

HDI PCB vadība.

Mikroviādas.

Uzmanīga signāla stabilitāte.

Stabila barošanas uzticamība.

Izvirzīta termiskā sagatavošana.

Lielāka slāņu skaita kārtas.

PCB projektēšanas apsvērumi mikrokontrolēriem

MCU plates parasti ir vienkāršāk izgatavot, jo:

Pini ir mazāk.

Barošanas līnijas ir vienkāršākas.

Blīvuma pārnese ir īpaši ērta.

Plāknes slāņojums parasti var būt daudz vienkāršāks.

Praktiska salīdzināšana PCB dizaineriem

FPGA un mikrokontrolētājs: Vai tos var izmantot kopā?

Jā — un vairākos sofistikētos sistēmu risinājumos tie tā arī darbojas. Hibrīda izkārtojums parasti ir gudrākais veids, kā apvienot abu moderno tehnoloģiju spējas. Mikrokontrolētājs nodrošina vispārējo vadību, interakciju un programmatūras uzdevumu izpildi, kamēr FPGA veic datu intensīvus vai laikā kritiskus procesus. Tas ir tipisks hardvera un programmatūras kopīgās projektēšanas piemērs.

Kāpēc hibrīda dizaini labi darbojas

Mikrokontrolētājs ir īpaši piemērots:

Startēšanai un sistēmas palaišanai.

Sensoru uzraudzībai.

Interfeiss.

Procesa vadībai.

Zemas jaudas vadībai.

FPGA ir īpaši piemērots:

Tādai pašai datu apstrādei.

Reāllaika signālu apstrādei.

AI ātrums.

Video klipu apstrāde.

Personificēta interakcijas laika noteikšana.

Hibrīdsistēmas priekšrocības

Daudz labāka efektivitātes stabilitāte.

Mazāks risks nekā spiežot vienu mikroshēmu veikt visu.

Daudz vieglāka uzdevumu sadale.

Laba mērogojamība.

Daudz uzticamāka silīcija iekārtu izmantošana.

Bieži sastopamās hibrīdsistēmu lietojumprogrammas

Mikrokontrolētājs un FPGA: Vairāk izmantotās lietojumprogrammas pēc nozares

Dažādi tirgi izvēlas dažādus procesorus, pamatojoties uz savām prioritātēm. Daži vairāk vērtē izmaksas un vienkāršību. Citi vairāk vērtē ātrumu un deterministiskas rīku darbības. Tāpēc FPGA lietojumprogrammu un mikrokontrolētāju lietojumprogrammu pielietojumi parasti tiek grupēti pēc tirgus.

Nozares, kurās bieži izvēlas mikrokontrolētājus

Mikrokontrolētāji parasti tiek izvēlēti:

Patērētāju digitālie ierīces.

Valkājamās ierīces.

Aparātu.

Lētas IoT ierīces.

Mobilās elektroniskās ierīces.

Pamatā komerciālie vadības sistēmas.

Šiem produktiem parasti ir nepieciešams mazs izmērs, zemāks enerģijas patēriņš un lēti ražošanas izdevumi.

Nozari, kas bieži izvēlas FPGA

FPGA parasti tiek izvēlētas šādās jomās:

Aizsardzības un kosmosa tehnoloģiju pielietojumi.

Telekomunikāciju ierīces.

Augsts ātrums instrumentu aprīkojumā.

Uzlabota klīniskā attēlošana.

Aizsardzības elektroniskās ierīces.

Datoru redzes sistēmas.

Rūpnieciskās elektromotoru vadības sistēmas ar sarežģītu laika noteikšanu.

Šīs nozares parasti prasa augstas veiktspējas iegultās sistēmas, personalizētu apstrādi un determinētu laika noteikšanu.

Nozari, kas izmanto abus

Automobiļu elektroniskie rīki.

Robotikas lietojumprogrammas.

Rūpnieciskie digitālie rīki.

Profesionālie elektroniskie ierīces.

Uzlabotas mijiedarbības sistēmas.

Nozares preferenču tabula

Secinājums

FPGA pret mikrokontroleri ir patiesībā izvēle starp pārkonfigurējamu aparatūru un efektīvu fiksētās funkcijas vadību. FPGA ir vispiemērotākās tad, ja nepieciešamas vienādas apstrādes spējas, integrētā shēma, iekārtu pielāgojamība, personalizēts laikmērs un augsto ātrumu datu apstrāde. Mikrokontroleri ir vispiemērotāki tad, ja nepieciešama zemāka enerģijas patēriņa, izmaksu efektīva un vienkāršāka attīstība vadībai veltītām iegultajām sistēmām.

Abi parasti nav daudz labāki. Lieliskā izvēle ir atkarīga no jūsu darba, investīciju plāna, veiktspējas mērķiem un PCB ierobežojumiem. Ja jūsu izstrādājumam nepieciešams vienkāršs kontrolieris, mikrokontrolētājs parasti ir labākā risinājuma iespēja. Ja tam nepieciešama pielāgota loģika vai intensīva datu apstrāde, FPGA parasti ir spēcīgāka izvēle. Ja jūsu projekts ir sarežģīts, labākais variants var būt abu komponentu kombinācija uz vienas un tās pašas plates.

Bieži uzdavami jautājumi

Kādas ir atšķirības starp FPGA un mikrokontrolētāju?

FPGA ir pārkonfigurējama iekārta, kas nodrošina paralēlo apstrādi. Mikrokontrolētājs ir fiksēts procesors, kas izpilda programmatūru secīgiem vadības uzdevumiem.

Vai FPGA var aizstāt mikrokontrolētāju?

Bieži vien — taču ne vienmēr. FPGA var veikt dažus vadības uzdevumus, tomēr tas parasti nav viena no efektīvākajām alternatīvām vienkāršiem, zemas jaudas pielietojumiem.

Vai FPGA un mikrokontrolētājs var sadarboties?

Jā. Dažādas sistēmas izmanto MCU vadībai un FPGA aug ātruma informācijas apstrādei vai iekārtu ātrumam.

Vai FPGA ir daudz labāks nekā mikrokontroleri?

Ne vienmēr. FPGA ir labāks rūpnīcas, paralēliem un augstas veiktspējas uzdevumiem. Mikrokontroleri ir labāki vienkāršiem, lētiem un zemas jaudas pielietojumiem.

Kas ir labāks iegultajām sistēmām?

Tas ir atkarīgs no pielietojuma. Vienkāršai vadībai izmantojiet mikrokontroleri. Augstas ātruma aprēķiniem vai pielāgotai apstrādei izmantojiet FPGA.