FPGA versus mikrokontroller: Nøkkelforskjeller og likheter

FPGA versus mikrokontroller: Viktige forskjeller og likheter

FPGA-er og mikrokontrollere: Forstå de viktige forskjellene

Innholdsfortegnelse

• Introduksjon
• Hva er en FPGA?
• Hva er en mikrokontroller?
• FPGA-er og mikrokontrollere: Viktige forskjeller
• FPGA versus mikrokontroller: Hovedlikheter
• Skal du bruke en FPGA eller en MCU på kretskortet ditt?
• FPGA og mikrokontroller: Kan de brukes sammen?
• Mikrokontroller og FPGA: Foretrukne anvendelser etter bransje
• Konklusjon
• OFTOSTILTE SPØRSMÅL

Intro

Å velge mellom en FPGA og en mikrokontroller er en av de viktigste beslutningene i innbygde systemer og PCB-utforming . Den prosessoren du velger påvirker ytelsen, strømforbruket, prisen, utviklingstiden og også hvordan kretskortet ditt må plasseres. I mange prosjekter bestemmer denne valget hele produktet. En FPGA  (FPGA) kan gi kraftig parallell behandling og verktøyfleksibilitet, mens en mikrokontroller gir en enkel, effektiv innbygd datamaskin for applikasjoner som fokuserer på styring.

På et høyt nivå er forskjellen denne: En FPGA er omkonfigurerbar utstyr, mens en mikrokontroller er et enkelt-chip-datamaskinsystem som er konstruert for sekvensiell instruksjonsutførelse. Det betyr at en FPGA vanligvis velges når du trenger tilpasset logikk, hurtig databehandling eller maskinvarehastighet. En mikrokontroller velges ofte når du trenger lavere strømforbruk, lavere pris og en mye enklere mikrokontrollerløsning. Begge brukes mye i design av innebygde elektroniske verktøy, men de løser ulike problemer.

Denne kontrasten skyldes at moderne enheter er langt mer komplekse enn tidligere. Enheter må kanskje håndtere oppdagelse av andre enheter, koble seg til via Ethernet eller containerbuss, behandle videoer, kjøre sanntidsstyringsløkker og samtidig håndtere strømstyring. I mange tilfeller er en mikrokontroller tilstrekkelig. I andre tilfeller er en FPGA mye bedre egnet. Og i sofistikerte systemer kan begge arbeide sammen på samme kort for å balansere styring, kostnad og effektivitet.

Korte fakta

Et praktisk eksempel

Tenk deg utviklingen av en kreativ kamera. Hvis enheten bare må vurdere knapper, styre en sensor og sende ut feilinformasjon, kan en mikrokontroller være tilstrekkelig. Men hvis kameraet må utføre hurtig videobehandling, høy ytelse, sanntidsbildeforbedring eller AI-basert resonnering, kan en FPGA være et mye bedre valg, siden den kan håndtere mange oppgaver parallelt med svært lav latens. Dette er typen avveining som designere møter daglig i prototyping av digitale verktøy og utvikling av enheter.

Definisjon av FPGA ?

En FPGA, eller Field Programmable Gate Array, er en type programmerbar logikkomponent som lar designere definere kretsens funksjoner etter at mikrochipen faktisk er produsert. Dette er den grunnleggende ideen bak FPGA-programmering: i stedet for å skrive programvare som kjører på en fast prosessor, utvikler du selve maskinvaren for å utføre en spesifikk funksjon. Dette gjør at en FPGA er vesentlig forskjellig fra en mikrokontroller. En mikrokontroller utfører vanligvis instruksjoner sekvensielt, mens en FPGA kan utføre flere operasjoner samtidig ved hjelp av parallell behandling.

En FPGA er utviklet fra et stort rutenett av programmerbare logikkelementer, overføringsressurser og I/O-blokker. En av de mest vanlige byggeblokkene består av konfigurerbare logikkblokker (CLB-er), oppslagstabeller (LUT-er), kanttriggere (FF-er), multipleksere og programmerbare tilkoblinger. Disse komponentene samarbeider for å utføre elektronisk logikk, tidsstyring, kommunikasjonsgrensesnitt og tilpassede kontrollsystemer. Utelukkende mange moderne FPGA-enheter inneholder også integrerte minneblokker, DSP-blokker og transceivere for raskt grensesnitt som PCIe, Ethernet eller videokoblinger. Som følge av dette brukes FPGAs ofte i høytytende datamaskiner, signalbehandlingsapplikasjoner og FPGA-applikasjoner som krever faktisk lavere latens.

I motsetning til en mikroprosessor er en FPGA vanligvis konfigurert med HDL-programmeringsspråk som VHDL eller Verilog. Dette er ikke programvarespråk i vanlig forstand. Det er maskinvarespesifikasjonspråk som definerer logiske innganger, tidsstyring, datapath-veier, elektrisk signalbehandling og tilstandsoppførsel. Derfor omtales utvikling av FPGA vanligvis som programmering på maskinværanivå eller logisk design. Ingeniører forteller ikke FPGA-en hva den skal gjøre trinnvis. De beskriver i stedet hvordan utstyret skal bygges opp og kobles sammen på logisk nivå. Det fungerer, men det gjør også utviklingen betraktelig mer utfordrende enn programmering av mikrokontrollere.

Kjerne-FPGA-byggeblokker

Hvorfor ingeniører bruker FPGA-er

FPGA-er velges når en oppgave krever:

Identisk beregning

Utstyrsrate

Gjenkonfigurerbar hardware

Unntøyd lav latens

Tilpassede brukergrensesnitt

Rask prototyping

Skalerbar effektivitet

For eksempel kan en FPGA i datamaskinsystemer for bildeanalyse, bildbehandlingsystemer og videosignalbehandling behandle flere piksler eller datastrømmer samtidig. I kommersielle automasjonssystemer kan den håndtere høyhastighetsstyringslogikk med deterministisk tid. I telekommunikasjonsutstyr kan den finjustere informasjonsstrømmer med høy ytelse uten å vente på at en CPU fullfører enkeltinstruksjonskretser. Denne graden av kontroll er en av grunnene til at FPGAs ofte brukes i luft- og romfartens PCB-montering, i fremvoksende enheter og i innbygde systemer som ikke kan tillate usikkerhet i tidssynkronisering.

Hvorfor ingeniører bruker FPGA-er

En mikrokontroller, vanligvis kalt en MCU, er et lite datamaskinsystem på én enkelt chip som er konstruert for inbygde styringsoppgaver. Den inkluderer vanligvis en CPU, minne og perifere enheter som tidsur, AD-omformere (ADC), interaksjonsgrensesnitt og programmerbare I/O-enheter i ett pakke. I motsetning til en FPGA rekonfigurerer en mikrokontroller ikke selv enhetene. Isteden kjører den inbygd programvare eller firmware som presiserer nøyaktig hvordan chipen skal oppføre seg. Dette er grunnen til at utvikling av mikrokontrollere vanligvis er mindre komplisert å lære enn FPGA-utvikling.

Mikrokontrollere produseres for dyprottede enhetsstyring og sanntidsinngroede applikasjoner der målet er å lese inn-data, ta beslutninger og styre resultater effektivt. De dominerer i kundevarer, kommersielle kontrollere, bærbare enheter, hjemmeenheter, bil-elektronikk og IoT-enheter. De er spesielt verdifulle på grunn av mikrokontrollerens effektivitet, lav pris og redusert strømforbruk. Hvis designet ditt krever standard, sikker og økonomisk styring, er mikrokontrolleren (MCU) vanligvis det første valget.

Mange MCUs er basert på arkitekturer som RISC-arkitektur, ARM-mikrokontrollerkjerner eller flere andre inngrode prosessorfamilier. De vanligste klassifikasjonene av mikrokontrollere er 8-bit, 16-bit og 32-bit-modeller. . De konfigureres vanligtvis ved hjelp av programmeringsspråk som C, innebygde C++-programmer eller andre firmwareverktøy. I en rekke systemer håndterer de innsamlingsenheter, kommunikasjon, strømoppsett og grensesnitt, samtidig som de bruker svært liten mengde strøm.

Kjerne-mikrokontrollerkomponenter

Hvorfor ingeniører bruker mikrokontrollere

Mikrokontrollere foretrekkes på grunn av at de er:

Billige mikrokontrollere for produksjon

Enkle å integrere direkte i PCB-utvikling

Effektive for batteridrevne enheter

Enklere å feilsøke sammenlignet med FPGA-er

Utmerket for mikrokontrollerapplikasjoner innen kontroll og overvåking

God for lavstrømapplikasjoner og daglige elektroniske enheter

Typiske mikrokontrollerapplikasjoner

Smarte hjemmegadgets

Husholdningsapparater

Styringssystemer for bærbare elektroniske enheter

Automotive elektroniske enheter

Industrielle styringssystemer

Følerenhetknuter

Mobil elektroniske enheter

Kunde-elektronikk

Hovedmikrokontrollerens fordeler

Grunnleggende mikrokontrollerfirmware

Redusert strømforbruk

Lavere pris enn en FPGA

Lette å produsere

Mobil måling

Støtte for fast område og enhetsområde

Hovedmikrokontrollerbegrensninger

Begrenset parallell behandling

Ikke ideell for akselerasjon av tilpassede verktøy

Betradelig mindre tilpasningsdyktig enn FPGA-hardware

Kan slås med virkelig høyhastighets- eller svært spesialiserte oppgaver

FPGA-er og mikrokontrollere: Viktige forskjeller

De beste forskjellene mellom FPGA og mikrokontroller handler om design, prosessering, fleksibilitet og utviklingsmetode. En FPGA er omkonfigurerbar hardware, mens en mikrokontroller er en fast CPU som kjører programvare. Denne ene forskjellen påvirker nesten alt annet knyttet til hvordan de fungerer, hvordan de programmeres og hvordan de integreres i en PCB-utlegging.

Maskinvarearkitekturen

En FPGA er bygget opp av logikceller, programmerbare tilkoblinger og konfigurerbare blokker som kan konfigureres til spesialiserte elektroniske kretser. En mikrokontroller er en hel CPU med en fast designarkitektur. Du kan ikke endre den indre strukturen til MCU-en på samma måte som du kan konfigurere en FPGA. Du kan bare endre dens firmware. Det betyr at en FPGA kan bli nesten hvilken som helst digital krets, mens en MCU forblir den samme og bare utfører forskjellig programvare.

Behandlingsmodell

En FPGA utfører parallell behandling. Mange logikkstier kan kjøres samtidig. En mikrokontroller utfører sekvensiell behandling, der instruksjoner utføres én etter én, selv om noen oppgaver er avbruddsdrevne eller håndteres av flere kjerner. Dette gjør FPGAs spesielt kraftfulle for høyhastighetsdatabehandling og tilpassede tidskritiske systemer.

Programmeringsstil

FPGA-utvikling bruker HDL-språk som Verilog og VHDL.

Mikrokontroller viser bruk av programvareapplikasjonsspråk som C og C++.

Effekt og kostnad

Mikrokontrollere forbruker vanligvis mye mindre effekt og koster mindre. FPGA-er krever vanligvis mye mer effekt, siden de er bygget for fleksibel logikkbehandling og hurtig behandling. Kompromisset er at FPGA-er kan håndtere mer komplekse ytelsesoppgaver.

Sammenligningstabell

FPGA versus mikrokontroller: Hovedlikheter

Selv om de faktisk er ulike internt, deler FPGA- og mikrokontrollersystemer noen viktige likheter. Begge brukes i innbygde systemer, begge kan plasseres på et trykt kretskort og begge kan kommunisere med virkelige innganger og utganger. Enkelt sagt er begge verktøy for å utvikle innbygde datamaskinløsninger.

Delte likheter

Begge er programmerbare.

Begge brukes i utviklingen av innbygd utstyr.

Begge kan håndtere sensorer, kommunikasjon og aktuatorer.

Begge støtter sanntidsbehandling.

Begge brukes i elektronikkproduksjon.

Begge kan være en del av system-on-chip-løsninger eller hybridinnbygde systemer.

Delte roller i et produkt

Både FPGA og MCU kan:

Gjennomgå informasjon fra sensorenhet.

Styre resultater.

Kommunisere med kommunikasjonsbussystemer.

Bidra til å overvåke systemets tidsstyring.

Kjøre innenfor elektroniske styringsystemer.

Skal du bruke en FPGA eller en MCU på kretskortet ditt?

Valget avhenger av systemmålene dine, spesielt når det gjelder PCB-design og PCB-format. Valg av prosessor påvirker antall pinner, sendetykkelse, strømfordeling, varmeutvikling, pris og også antall lag på kretskortet. Derfor må sammenligningen av innebygde systemprosessorer foretas tidlig i produktutviklingen, ikke etter at kretskortet allerede er produsert.

Når en mikrokontroller er mer hensiktsmessig

Velg en MCU når du trenger:

Billig.

Redusert effekt.

Enklere styring av innebygde enheter.

Liten fysisk innvirkning.

Enkel firmwareoppgradering.

Ukomplisert sensorkobling.

Når en FPGA gir mer mening

Velg en FPGA når du trenger:

Høyhastighetsbehandling.

Identiske prosedyrer.

Personlig tilpasset grensesnitt.

FPGA-hastighet.

Komplisert tidsstyring.

Verktøykonfigurasjon på nytt.

Mye bedre gjennomstrømning enn en programvareprosessor kan levere.

FPGA-er brukes vanligvis i telekommunikasjonssystemer, kommersielle automasjonssystemer, signalbehandlingsapplikasjoner og avansert instrumentering.

PCB-designhensyn for FPGA-er

FPGA-plater krever vanligvis:

BGA-pakker.

HDI-PCB-ruting.

Mikroviaer.

Forsiktig signalstabilitet.

Solid strømforsyningssikkerhet.

Avansert termisk forberedelse.

Høyere antall lag i lagoppbyggingen.

PCB-designhensyn for mikrokontrollere

MCU-kort er vanligvis enklere å produsere fordi:

Antallet pinner er redusert.

Strømforsyningslinjer er enklere.

Overføringsdensitet er mer praktisk.

Kortlagoppbygging kan vanligvis være mye enklere.

Praktisk sammenligning for PCB-designere

FPGA og mikrokontroller: Kan de brukes sammen?

Ja – og i flere sofistikerte systemer gjør de det. En hybridoppsett er typisk den smarteste måten å kombinere styrkene i begge moderne teknologiene. Mikrokontrolleren håndterer generell kontroll, interaksjon og firmware-oppgaver, mens FPGA-en håndterer datatunge eller tidskritiske prosesser. Dette er et klassisk eksempel på hardware-programvare-samdesign.

Hvorfor hybriddesigner fungerer godt

En mikrokontroller er fremragende for:

Oppstart og systemoppstart.

Sensorovervåking.

Grensesnittet.

Teknikkhåndtering.

Styring med lav effekt.

En FPGA er fremragende for:

Samme dataprossessering.

Sanntidsignalbehandling.

AI-hastighet.

Håndtering av videoklipp.

Personlig tilpasset interaksjonstid.

Fordeler med hybrid-system

Mye bedre effektivitetsstabilitet.

Redusert risiko sammenlignet med å tvinge én chip til å utføre alle oppgavene.

Mye enklere oppdeling av oppgaver.

God skalerbarhet.

Mye påliteligere bruk av silisiumutstyr.

Vanlige hybrid-applikasjoner

Mikrokontroller og FPGA: Foretrukne anvendelser etter bransje

Mange markeder velger ulike prosessorer basert på sine bekymringer. Noen legger størst vekt på kostnad og enkelhet. Andre legger størst vekt på hastighet og deterministisk oppførsel til verktøyene. Derfor samles vanligvis FPGA-applikasjoner og mikrokontrollerapplikasjoner etter marked.

Industrier som ofte foretrekker mikrokontrollere

Mikrokontrollere foretrekkes vanligtvis i:

Kundens digitale enheter.

Bærbare enheter.

Apparater.

Billige IoT-enheter.

Mobil elektronisk utstyr.

Grunnleggende kommersielle styringssystemer.

Disse produktene krever vanligvis liten størrelse, lav strømforbruk og kostnadseffektiv produksjon.

Industrier som ofte foretrekker FPGA-er

FPGAs foretrekkes vanligvis i:

Luft- og romfartapplikasjoner.

Telekommunikasjonsutstyr.

Høyhastighetsinstrumentering.

Avansert klinisk avbildning.

Forsvarsrelaterte elektroniske enheter.

Datamaskinsynssystemer.

Industrielle elektriske motorstyringsapplikasjoner med kompleks tidsstyring.

Disse sektorene krever vanligvis høyytelsesinnbygde systemer, tilpasset logikk og deterministisk tidsstyring.

Industrier som bruker begge

Automobil-elektroniske verktøy.

Robotikanvendelser.

Industrielle digitale verktøy.

Profesjonelle elektroniske enheter.

Avanserte interaksjonssystemer.

Industriforetrukken tabell

Konklusjon

Valget mellom FPGA og mikrokontroller er egentlig et valg mellom omkonfigurerbar maskinvare og effektiv fastfunksjonsstyring. FPGA-er er best egnet når du trenger samme håndteringskapasiteter, integrert krets, utstyrsanpassningsdyktighet, tilpasset tidsstyring og hurtig behandling av informasjon. Mikrokontrollere er best egnet når du trenger lav effektförbrukning, kostnadseffektivitet og enklere utvikling for styringsfokuserte innbygde systemer.

Ingen av delene er vanligtvis klart bedre. Det beste valget avhenger av ditt prosjekt, investeringsbudsjett, ytelsesmål og begrensninger på kretskortet. Hvis produktet ditt krever en enkel kontroller, er en mikrokontroller vanligvis den beste løsningen. Hvis det krever tilpasset resonnement eller krevende databehandling, er en FPGA vanligvis den sterkeste løsningen. Hvis prosjektet ditt er avansert, kan den beste løsningen være å kombinere begge deler på samme kretskort.

OFTOSTILTE SPØRSMÅL

Hva er forskjellene mellom FPGA og mikrokontroller?

En FPGA er utstyr som kan konfigureres på nytt og som utfører parallell behandling. En mikrokontroller er en fast CPU som kjører firmware for sekvensiell styringsoppgaver.

Kan en FPGA erstatte en mikrokontroller?

Ofte, men ikke alltid. En FPGA kan håndtere noen styringsoppgaver, men den er vanligvis ikke det mest effektive alternativet for enkle, lavstrømforbrukende applikasjoner.

Kan FPGA og mikrokontroller samarbeide?

Ja. Mange systemer bruker en MCU for styring og en FPGA for hurtig informasjonsbehandling eller utstyrsfart.

Er FPGA bedre enn mikrokontrollere?

Ikke alltid. FPGA er bedre for komplekse, parallellprosesserte, høytytende oppgaver. Mikrokontrollere er bedre for enkle, billige og lavstrømforbrukende applikasjoner.

Hva er best for innbygde systemer?

Det avhenger av applikasjonen. For enkel styring bør du bruke en mikrokontroller. For hurtig logikkbehandling eller tilpasset behandling bør du bruke en FPGA.