FPGA vs mikrokontrolér: kľúčové rozdiely a podobnosti

FPGA vs. mikrokontrolér: kľúčové rozdiely a podobnosti

FPGA a mikrokontrolér: pochopenie kľúčových rozdielov

Obsah

• Úvod
• Čo je FPGA?
• Čo je mikrokontrolér?
• FPGA a mikrokontrolér: kľúčové rozdiely
• FPGA vs mikrokontrolér: Hlavné podobnosti
• Mali by ste použiť FPGA alebo mikroriadič vo svojej DPS?
• FPGA a mikroriadič: Môžu byť použité spoločne?
• Mikroriadič a FPGA: Preferované aplikácie podľa odvetvia
• Záver
• Často kladené otázky

Úvod

Výber medzi FPGA a mikroriadičom patrí medzi najdôležitejšie rozhodnutia v oblasti zabudovaných systémov a Dizajn PCB . Procesor, ktorý vyberiete, ovplyvňuje výkon, spotrebu energie, rýchlosť, dobu vývoja a tiež to, ako má byť vaša doska plošných spojov rozmiestnená. V mnohých projektoch sa týmto rozhodnutím určuje celý výrobok. FPGA  (FPGA) môže poskytnúť výkonné paralelné spracovanie a veľkú prispôsobiteľnosť nástrojov, zatiaľ čo mikroriadič poskytuje jednoduchý a efektívny zabudovaný počítač pre aplikácie s dôrazom na riadenie.

Na vyššej úrovni je rozdiel nasledovný: FPGA je rekonfigurovateľné zariadenie, zatiaľ čo mikroriadič je jednočipový počítačový systém navrhnutý na postupné vykonávanie inštrukcií. To znamená, že FPGA sa zvyčajne vyberá v prípadoch, keď je potrebné špeciálne spracovanie, spracovanie dát vysokou rýchlosťou alebo hardvérová rýchlosť. Mikroriadič sa zvyčajne vyberá, keď je potrebná nižšia spotreba energie, nižšia cena a jednoduchšie použitie mikroriadiča. Obe sú široko využívané pri návrhu zabudovaných elektronických zariadení, avšak riešia rôzne problémy.

Tento kontrast vyplýva z toho, že moderné zariadenia sú oveľa zložitejšie ako kedykoľvek predtým. Zariadenia môžu vyžadovať rozpoznávanie iných zariadení, pripojenie cez Ethernet alebo autobusový systém typu CAN, spracovanie videa, spustenie reálnych riadiacich slučiek a zároveň správu spotreby energie. V mnohých prípadoch je na tento účel postačujúci mikroriadič. V iných prípadoch je lepším riešením FPGA. A v pokročilých systémoch sa oba typy komponentov môžu spoločne nachádzať na rovnakej doske, aby sa dosiahla rovnováha medzi riadením, cenou a účinnosťou.

Rýchle fakty

Praktický príklad

Predstavte si vytvorenie kreatívnej kamery. Ak zariadenie potrebuje iba vyhodnotiť stlačenie tlačidiel, ovládať senzor a odosielať informácie o probléme, mikroriadič môže byť dostatočný. Ak však kamera musí vykonávať spracovanie rýchlych videozáznamov, vysoký výkon, reálne spracovanie obrazu alebo úvahy založené na umelej inteligencii, FPGA môže byť oveľa lepšou voľbou, pretože dokáže súčasne vykonávať množstvo úloh s veľmi nízkou latenciou. Práve také kompromisy každodenne riešia návrhári pri prototypovaní digitálnych zariadení a vývoji produktov.

Definícia FPGA ?

FPGA, čiže pole programovateľných brán (Field-Programmable Gate Array), je druh programovateľného logického zariadenia, ktoré umožňuje návrhárom definovať funkcie zariadenia po tom, čo bol čip už v skutočnosti vyrobený. To je hlavná myšlienkou FPGA programovania: namiesto písania softvérových aplikácií, ktoré bežia na pevne danom procesore, vyvíjate samotné hardvérové zariadenie, aby vykonávalo konkrétnu funkciu. Tým sa FPGA zásadne líši od mikrokontroléra. Mikrokontrolér vykonáva inštrukcie postupne, zatiaľ čo FPGA dokáže vykonávať viacero operácií súčasne pomocou paralelného spracovania.

FPGA je vyvinutá z obrovského mriežkového poľa programovateľných logických prvkov, prenosových prostriedkov a vstupno-výstupných blokov. Jedným z najbežnejších stavebných blokov sú konfigurovateľné logické bloky (CLB), vyhľadávacie tabuľky (LUT), klopné obvody (FF), multiplexory a programovateľné prepojenia. Tieto komponenty spoločne vykonávajú digitálnu logiku, časové funkcie, komunikačné rozhrania a špeciálne riadiace systémy. Množstvo moderných FPGA zariadení obsahuje tiež zabudované pamäťové bloky, DSP bloky a transceivery pre rýchle rozhrania, ako sú PCIe, Ethernet alebo video rozhrania. V dôsledku toho sa FPGA často používajú v aplikáciách vysokej výkonnosti, spracovaní signálov a FPGA aplikáciách, ktoré vyžadujú skutočne nižšiu latenciu.

Na rozdiel od mikroprocesora sa FPGA zvyčajne nastavuje pomocou jazykov HDL, ako sú VHDL alebo Verilog. Tieto nie sú jazyky softvérových aplikácií v bežnom zmysle. Ide o jazyky opisu zariadení, ktoré definujú logické vstupy, časovanie, dátové cesty, spracovanie elektrických signálov a stavové správanie. Preto sa vývoj FPGA zvyčajne označuje ako programovanie na úrovni hardvéru alebo návrh logiky. Inžinieri nepovedia FPGA, čo má robiť, všeobecne. Popisujú, ako má byť zariadenie fyzicky postavené a prepojené v logickom tvare. To funguje, avšak zároveň robí vývoj oveľa náročnejší než programovanie mikrokontrolérov.

Základné stavebné bloky FPGA

Prečo inžinieri používajú FPGA

FPGA sa vyberajú, keď práca vyžaduje:

Identický výpočet

Miera vybavenia

Rekonfigurovateľný hardvér

Výnimočne níka latencia

Užívateľské rozhrania na mieru

Rýchle prototypovanie

Škálovateľná účinnosť

Napríklad v systémoch počítačového videnia, systémoch spracovania obrazu a spracovania video signálov FPGA dokáže súčasne spracovať viacero pixelov alebo dátových tokov. V komerčných automatizačných systémoch môže zabezpečiť rýchle riadiace výpočty s deterministickým časovaním. V telekomunikačnom zariadení dokáže jemne nastaviť dátové toky za vysokých nákladov bez čakania na dokončenie jednotlivých inštukcií procesorom (CPU). Tento stupeň kontroly je jednou z príčin, prečo sa FPGA často používajú pri montáži dosiek plošných spojov (PCB) v leteckej a vesmírnej technike, v pokročilých zariadeniach a zabudovaných systémoch, ktoré nemôžu zniesť neistotu v časovaní.

Prečo inžinieri používajú FPGA

Mikroriadič, zvyčajne označovaný ako MCU, je malý počítačový systém na jednom čipe, ktorý je navrhnutý pre zabudované riadiace úlohy. Zvyčajne obsahuje procesor (CPU), pamäť a periférne zariadenia, ako sú časovače, analogovo-digitálne prevodníky (ADC), rozhrania pre komunikáciu a programovateľné vstupno-výstupné obvody (I/O) v jednom balíku. Na rozdiel od FPGA sa mikroriadič sám o sebe nerekonfiguruje. Namiesto toho spúšťa zabudovaný softvérový program alebo firmware, ktorý presne určuje, ako sa čip má správať. Preto sa vývoj aplikácií pre mikroriadiče zvyčajne považuje za menej zložitý než vývoj pre FPGA.

Mikroriadiče sa vyrábajú pre hlboko zasadené riadenie zariadení a aplikácie v reálnom čase, kde je cieľom úspešne čítať vstupy, rozhodovať sa a riadiť výstupy. Dominujú v spotrebných tovaroch, komerčných regulátoroch, nositeľných zariadeniach, domácich zariadeniach, automobilových elektronických systémoch a IoT zariadeniach. Majú veľkú hodnotu najmä pre efektivitu mikroriadičov, nízku cenu mikroriadičov a zníženú spotrebu energie. Ak vaša konštrukcia vyžaduje štandardné, bezpečné a ekonomické riadenie, mikroriadič (MCU) je zvyčajne prvou voľbou.

Mnoho MCU je založených na architektúrach, ako je napríklad RISC architektúra, jadrá mikroriadičov ARM alebo rôzne iné hlboko zasadené procesorové rodiny. Hlavné kategórie mikroriadičov sú 8-bitové, 16-bitové a 32-bitové modely. . Zvyčajne sa programujú pomocou jazykov, ako sú programy v jazyku C, vložené programy v jazyku C++ alebo rôzne iné firmwareové nástroje. V niektorých systémoch sa starajú o zber údajov, komunikáciu, nastavenia napájania a rozhrania pri veľmi nízkej spotrebe energie.

Základné komponenty mikrokontroléra

Prečo inžinieri používajú mikrokontroléry

Mikrokontroléry sú uprednostňované z nasledujúcich dôvodov:

Nedrahé mikrokontroléry pre výrobu

Ľahko sa integrujú priamo do návrhu tlačených spojových dosiek (PCB)

Efektívne pre zariadenia napájané batériou

Jednoduché na ladenie v porovnaní s FPGA

Vynikajúce pre aplikácie mikrokontrolérov v oblasti riadenia a dohľadu

Vhodné pre nízkovýkonové aplikácie a každodenné elektronické zariadenia

Typické aplikácie mikrokontrolérov

Chytré domáce zariadenia

Domáce spotrebiče

Ovládacie systémy pre nositeľné elektronické zariadenia

Automobilové elektronické zariadenia

Průmyslové řídící systémy

Uzly senzorových jednotiek

Mobilné elektronické zariadenia

Spotrebná elektronika

Hlavné výhody mikroriadiaceho systému

Základný firmware mikroriadiaceho systému

Znížená spotreba energie

Nižšia cena v porovnaní s FPGA

Jednoduchá výroba

Mobilné meranie

Podpora pevnej oblasti a oblasť zariadenia

Hlavné obmedzenia mikroriadiča

Obmedzené paralelné spracovanie

Nie je ideálne pre zrýchlenie prispôsobených nástrojov

Oveľa menej prispôsobiteľné ako FPGA hardvér

Môže mať problémy s naozaj vysokou rýchlosťou alebo veľmi špecializovanými úlohami

FPGA a mikrokontrolér: kľúčové rozdiely

Najdôležitejšie rozdiely medzi FPGA a mikroriadičom sa týkajú návrhu, architektúry spracovania, flexibilitu a metódy vývoja. FPGA je rekonfigurovateľný hardvér, zatiaľ čo mikroriadič je špecifický procesor, ktorý spustí softvérový program. Tento jeden rozdiel ovplyvňuje takmer všetko ostatné, čo sa týka ich fungovania, spôsobu programovania a integrácie do návrhu plošného spoja (PCB).

Hardvérová architektúra

FPGA je zostavená z logických buniek, programovateľných prepojení a konfigurovateľných blokov, ktoré je možné priamo implementovať do špeciálne navrhnutých elektronických obvodov. Mikroriadič je kompletný procesor so špeciálnym návrhom. Internú štruktúru mikroriadiča nemôžete zmeniť rovnako ako to môžete urobiť s FPGA. Môžete zmeniť iba jeho firmvér. To znamená, že FPGA sa môže stať takmer akýmkoľvek digitálnym obvodom, kým mikroriadič zostáva rovnaký a jednoducho vykonáva rôzny kód.

Spracovateľný model

FPGA vykonáva paralelné spracovanie. Mnoho logických úloh môže bežať súčasne. Mikroriadič vykonáva sekvenčné spracovanie, pri ktorom sa inštrukcie vykonávajú jedna za druhou, aj keď niektoré úlohy sú riadené prerušeniami alebo sa o ne starajú viaceré jadrá. To robí FPGA obzvlášť výkonnými pre spracovanie dát vysokou rýchlosťou a pre špeciálne časovo citlivé systémy.

Štýl programovania

Pre programovanie FPGA sa používajú jazyky HDL, ako sú Verilog a VHDL.

Mikrokontrolér používa programovacie jazyky, ako sú C a C++.

Výkon a náklady

Mikrokontroléry zvyčajne spotrebujú menej energie a sú lacnejšie. FPGA zvyčajne vyžadujú oveľa viac energie, pretože sú navrhnuté pre flexibilné logické operácie a spracovanie vysokých rýchlostí. Kompromisom je, že FPGA dokážu riešiť náročnejšie výkonnostné úlohy.

Porovnávacia tabuľka

FPGA vs mikrokontrolér: Hlavné podobnosti

Aj keď sa v skutočnosti od seba líšia, FPGA a mikrokontrolérové systémy zdieľajú niektoré kľúčové podobnosti. Obe sa používajú v zabudovaných systémoch, obe sa dajú umiestniť na tlačenú spojovaciu dosku a obe dokážu komunikovať so vstupmi a výstupmi zo skutočného sveta. Jednoducho povedané, obe sú nástrojmi na vývoj riešení založených na zabudovaných počítačových systémoch.

Zdieľané podobnosti

Obe sú programovateľné.

Obe sa využívajú pri vývoji zabudovaného vybavenia.

Obe dokážu spravovať senzory, komunikáciu a aktuátory.

Obe podporujú spracovanie v reálnom čase.

Obe sa používajú v elektrotechnickom priemysle.

Obe možnosti môžu byť súčasťou výberu systémov na čipe alebo hybridných zabudovaných systémov.

Zdieľané úlohy v produkte

Obe FPGA a MCU môžu:

Prehliadať informácie z meracieho zariadenia.

Riadiť výsledky.

Komunikovať cez komunikačné zbernice.

Pomáhať pri riadení časovania systému.

Bežať v elektronických riadiacich systémoch.

Mali by ste použiť FPGA alebo mikroriadič vo svojej DPS?

Odpoveď závisí od cieľov vášho systému, najmä v prípade návrhu tlačenej spojovacej dosky (PCB) a formátu PCB. Výber procesora ovplyvňuje počet vývodov, hrúbku vodičov, rozdelenie výkonu, tepelné charakteristiky, cenu a tiež počet vrstiev dosky. Preto porovnanie procesorov pre zabudované systémy musí prebiehať už v ranom štádiu vývoja výrobku, nie až potom, čo je doska už vyrobená.

Keď je vhodnejšie použiť mikroriadič

Vyberte MCU, keď potrebujete:

Nízku cenu.

Zníženú spotrebu energie.

Jednoduchšie riadenie zabudovaných zariadení.

Malý fyzický vplyv.

Ľahký vývoj firmvéru.

Neprehľadné pripájanie senzorov.

Keď je FPGA vhodnejšie

Vyberte FPGA, keď potrebujete:

Rýchle spracovanie dát.

Identické postupy.

Personalizované rozhranie.

Rýchlosť FPGA.

Zložité riadenie časovania.

Prekonfigurácia nástrojov.

Oveľa vyšší výkon, než dokáže poskytnúť softvérový procesor.

FPGA sa zvyčajne používajú v telekomunikačných systémoch, komerčných systémoch automatizácie, aplikáciách spracovania signálov a pokročilej prístrojovej technike.

Zohľadnenia pri návrhu DPS pre FPGA

Dosky FPGA zvyčajne vyžadujú:

BGA balenie.

HDI PCB smerovanie.

Mikrovias.

Opatrná stabilita signálov.

Spoľahlivá napájací systém.

Pokročilá príprava pre tepelné správanie.

Viacvrstvové usporiadania s vyšším počtom vrstiev.

Zohľadnenia pri návrhu PCB pre mikrokontroléry

Dosky MCU sú zvyčajne jednoduchšie na výrobu, pretože:

Počet vývodov je znížený.

Napájacie vodiče sú jednoduchšie.

Prenos hustoty je ešte pohodlnejší.

Stavba dosky môže byť zvyčajne menej zložitá.

Praktické porovnanie pre návrhárov PCB

FPGA a mikroriadič: Môžu byť použité spoločne?

Áno – a v niekoľkých pokročilých systémoch to tak skutočne je. Kombinované usporiadanie je zvyčajne najrozumnejší spôsob, ako spojiť výhody oboch súčasných technológií. Mikroriadiaci systém zabezpečuje všeobecné riadenie, komunikáciu a úlohy s firmvérom, zatiaľ čo FPGA zabezpečuje úlohy s veľkým objemom dát alebo úlohy kritické z hľadiska časovania. Ide o bežný príklad spoločného návrhu hardvéru a softvéru.

Prečo hybridné návrhy fungujú dobre

Mikroriadiaci systém je výborný pre:

Spustenie a inicializácia systému.

Sledovanie senzorov.

Rozhranie.

Správu procesov.

Riadenie s nízkou spotrebou energie.

FPGA je výnimočná pre:

Spracovanie rovnakých dát.

Spracovanie signálov v reálnom čase.

Rýchlosť umelej inteligencie.

Správa videozáznamov.

Personalizované časovanie interakcií.

Výhody hybridného systému

Oveľa lepšia stabilita účinnosti.

Nižšie riziko v porovnaní s nútením jedného čipu, aby vykonával všetko.

Jednoduchšie rozdelenie úloh.

Dobrá škálovateľnosť.

Oveľa spoľahlivejšie využívanie kremíkového vybavenia.

Bežné hybridné aplikácie

Mikroriadič a FPGA: Preferované aplikácie podľa odvetvia

Množstvo trhov vyberá rôzne procesory na základe ich obav. Niektorí sa najviac zaujímajú o náklady a jednoduchosť. Iní sa najviac zaujímajú o rýchlosť a deterministické činnosti nástrojov. Preto sa aplikácie FPGA a mikrokontrolérov zvyčajne skupinujú podľa trhu.

Priemyselné odvetvia, ktoré často uprednostňujú mikrokontroléry

Mikrokontroléry sa zvyčajne uprednostňujú v:

Spotrebné digitálne zariadenia.

Nositeľné zariadenia.

Aparátov.

Nízkocenové IoT zariadenia.

Mobilné elektronické nástroje.

Základné komerčné riadiace systémy.

Tieto produkty zvyčajne vyžadujú malé rozmery, zníženú spotrebu energie a cenovo výhodnú výrobu.

Priemyselné odvetvia, ktoré často uprednostňujú FPGA

FPGA sa zvyčajne uprednostňujú v nasledovných oblastiach:

Aerokozmické aplikácie.

Telekomunikačné nástroje.

Vysokorýchlostné meracie prístroje.

Pokročilé klinické zobrazovanie.

Elektronické zariadenia pre obranu.

Systémy počítačového videnia.

Priemyselné aplikácie regulátorov elektrických motorov s komplikovaným časovaním.

Tieto odvetvia zvyčajne vyžadujú vysokovýkonné zabudované systémy, personalizované spracovanie a deterministické časovanie.

Priemyselné odvetvia, ktoré používajú obe

Automobilové elektronické nástroje.

Aplikácie v oblasti robotiky.

Priemyselné digitálne nástroje.

Profesionálne elektronické zariadenia.

Pokročilé systémy interakcie.

Tabuľka preferencií priemyslu

Záver

Voľba medzi FPGA a mikrokontrolérom je v skutočnosti voľba medzi rekonfigurovateľným hardvérom a efektívnym riadením s pevnou funkciou. FPGA sú najvhodnejšie, keď potrebujete rovnaké schopnosti spracovania, integrovaný obvod, prispôsobiteľnosť zariadení, personalizované časovanie a spracovanie informácií pri vysokých rýchlostiach. Mikrokontroléry sú najvhodnejšie, keď potrebujete nízku spotrebu energie, cenovo výhodné riešenie a jednoduchší vývoj pre riadiace zabudované systémy.

Žiadna z nich nie je bežne výrazne lepšia. Vynikajúca voľba závisí od vašej práce, investičného plánu, cieľov výkonu a obmedzení týkajúcich sa dosky plošných spojov (PCB). Ak vaša súčiastka potrebuje jednoduchý regulátor, mikrokontrolér je zvyčajne lepšie riešenie. Ak vyžaduje špecifické rozhodovanie alebo intenzívne spracovanie údajov, FPGA je zvyčajne silnejšou voľbou. Ak je váš projekt pokročilý, najlepšou alternatívou môže byť ich kombinácia na rovnakej doske.

Často kladené otázky

Aké sú rozdiely medzi FPGA a mikrokontrolérom?

FPGA je rekonfigurovateľné zariadenie určené na paralelné spracovanie. Mikrokontrolér je pevný procesor, ktorý spúšťa firmvér na postupné riadiace úlohy.

Môže FPGA nahradiť mikrokontrolér?

Často áno, avšak nie vždy. FPGA dokáže vykonávať niektoré riadiace úlohy, avšak zvyčajne nie je najefektívnejšou alternatívou pre jednoduché aplikácie s nízkou spotrebou energie.

Môžu FPGA a mikrokontrolér spolupracovať?

Áno. Rôzne systémy využívajú MCU na riadenie a FPGA na spracovanie informácií vysokou rýchlosťou alebo na riadenie rýchlosti zariadenia.

Je FPGA oveľa lepšie ako mikrokontroléry?

Nie vždy. FPGA je lepšie pre zložité, paralelné a výkonné úlohy. Mikrokontroléry sú lepšie pre jednoduché, lacné a nízkopotrové aplikácie.

Čo je lepšie pre zabudované systémy?

Záleží na konkrétnej aplikácii. Pre jednoduché riadenie použite mikrokontrolér. Pre spracovanie údajov vysokou rýchlosťou alebo špeciálne spracovanie použite FPGA.