FPGA nasproti mikrokrmilniku: ključne razlike in podobnosti

FPGA nasproti mikrokrmilniku: ključne razlike in podobnosti

FPGA in mikrokrmilniki: razumevanje ključnih razlik

Vsebina

• Uvod
• Kaj je FPGA?
• Kaj je mikrokrmilnik?
• FPGA in mikrokrmilniki: ključne razlike
• FPGA nasproti mikrokrmilniku: glavne podobnosti
• Ali naj uporabite FPGA ali MCU na svoji tiskani plošči?
• FPGA in mikrokrmilnik: Ali jih lahko uporabimo skupaj?
• Mikrokrmilnik in FPGA: Prednostne uporabe po panogah
• Zaključek
• Pogosta vprašanja

Uvod

Izbira med FPGA-jem in mikrokrmilnikom je ena najpomembnejših odločitev v vgrajenih sistemih in Proizvodnja PCB . Izbrani procesor vpliva na zmogljivost, porabo energije, ceno, čas razvoja ter tudi na to, kako naj bo plošča vezja zasnovana. V številnih projektih ta izbira določa celotno izdelko. En FPGA  (FPGA) omogoča močno vzporedno obdelavo in veliko fleksibilnost orodij, medtem ko mikrokrmilnik ponuja preprost, učinkovit vgrajeni računalniški sistem za aplikacije, ki so osredotočene na krmiljenje.

Na višji ravni je razlika naslednja: FPGA je ponovno konfigurabilna oprema, mikrokrmilnik pa je enočipni računalniški sistem, zgrajen za zaporedno izvajanje ukazov. To pomeni, da se FPGA običajno izbere, kadar potrebujete prilagojeno logiko, obdelavo podatkov v visoki hitrosti ali strojno hitrost. Mikrokrmilnik se običajno izbere, kadar potrebujete nižjo porabo energije, nižjo ceno in preprostejšo uporabo mikrokrmilnika. Oba sta široko uporabljena pri načrtovanju vgrajenih elektronskih naprav, vendar rešujeta različne probleme.

Ta kontrast izhaja iz dejstva, da so sodobne naprave veliko bolj zapletene kot kdajkoli prej. Naprave morda potrebujejo preverjanje odkrivanja drugih naprav, povezavo prek Etherneta ali avtobusa za vsebnike, obdelavo videa, izvajanje zank za nadzor v realnem času ter upravljanje energije hkrati. V mnogih primerih je dovolj mikrokrmilnik. V drugih primerih je FPGA bolj primerna rešitev. V sofisticiranih sistemih pa se lahko obe tehnologiji združita na isti plošči, da stabilizirata nadzor, ceno in učinkovitost.

Hitre resnice

Primer iz prakse

Predstavljajte si ustvarjanje kreativne kamere. Če naprava potrebuje le ocenjevanje gumbov, upravljanje senzorske enote in pošiljanje informacij o napakah, je mikrokrmilnik morda dovolj. Če pa mora kamera izvajati obdelavo hitrih posnetkov, visoko zmogljivost, realno časovo izboljšavo slik ali sklepanje z umetno inteligenco, je FPGA verjetno boljša izbira, saj lahko hkrati opravlja številne naloge z izjemno nizko zakasnitvijo. To je vrsta kompromisa, s katerim se oblikovalci soočajo vsakodnevno pri prototipiranju digitalnih orodij in razvoju naprav.

Opredelitev FPGA ?

FPGA (Field-Programmable Gate Array) ali polje programabilnih vratarjev je vrsta programabilne logične naprave, ki omogoča oblikovalcem, da določijo delovanje naprave po tem, ko je čip že izdelan. To je osnovna ideja za programske rešitve z FPGA: namesto da pišemo programske aplikacije, ki tečejo na fiksni procesorski enoti, dejansko oblikujemo sam hardware, da izvede določeno funkcijo. To FPGA bistveno razlikuje od mikrokrmilnika. Mikrokrmilnik izvaja ukaze zaporedno, medtem ko FPGA hkrati izvaja več operacij z uporabo vzporednega procesiranja.

FPGA je razvita iz ogromne mreže programabilnih logičnih elementov, prenosnih virov in I/O blokov. Eden najpogostejših gradbenih blokov sestavljajo konfigurabilni logični bloki (CLB), tabeli iskanja (LUT), flip-flopi (FF), multipleksorji in programabilni medsebojni povezavi. Ti komponenti skupaj izvajajo elektronsko logiko, časovne funkcije, komunikacijske vmesnike in prilagojene krmilne sisteme. Številna sodobna FPGA naprava vključujejo tudi globoko integrirane pomnilniške bloke, DSP bloke in transceiverje za hitre vmesnike, kot so PCIe, Ethernet ali video povezave. Zato se FPGA pogosto uporabljajo v visokozmogljivih računalnikih, aplikacijah za obdelavo signalov in FPGA aplikacijah, ki zahtevajo dejansko nižjo zakasnitev.

Za razliko od mikroprocesorja je FPGA običajno nastavljen z jeziki za opis hardvera (HDL), kot sta VHDL ali Verilog. To niso programski jeziki za aplikacije v običajnem smislu. Gre za jezike za opis naprav, ki določajo logične vhode, časovne parametre, poti podatkov, obravnavo električnih signalov in stanje vedenja. Zato se razvoj FPGA običajno imenuje programiranje na strojni ravni ali logično oblikovanje. Inženirji FPGA-ju ne povedo, kaj naj naredi, v celoti. Opisujejo, kako naj bo oprema fizično zgrajena in povezana na logični ravni. To deluje, vendar s tem postane razvoj veliko zahtevnejši kot programiranje mikrokrmilnikov.

Osnovni gradniki FPGA

Zakaj inženirji uporabljajo FPGA-je

FPGA-je izbirajo, kadar je naloga zahtevana:

Enaka izračunska metoda

Stopnja opreme

Ponovno konfigurabilna strojna oprema

Izjemno nizka zakasnitev

Posebno izdelani uporabniški vmesniki

Hitro prototipiranje

Merljiva učinkovitost

Na primer v računalniškem sistemu za vid, sistemih za obdelavo slik in sistemih za obdelavo video signalov FPGA omogoča hkratno izboljšavo več pikslov ali podatkovnih tokov. V komercialnih avtomatizacijskih sistemih lahko izvaja visokohitrostno krmilno logiko z določenim časovnim načrtovanjem. V telekomunikacijski opremi lahko natančno prilagaja podatkovne tokove pri visokih zahtevah brez čakanja, da procesor konča posamezne cikle izvrševanja ukazov. Ta stopnja nadzora je eden od razlogov, zakaj se FPGA-ji pogosto uporabljajo v vesoljskih tiskanih vezje (PCB), naprednih merilnih napravah in vgrajenih sistemih, ki ne morejo dopustiti časovne negotovosti.

Zakaj inženirji uporabljajo FPGA-je

Mikrokrmilnik, običajno imenovan MCU, je majhen računalniški sistem na eni čipu, zasnovan za vgrajene nadzorne naloge. Splošno vključuje procesor (CPU), pomnilnik in periferne naprave, kot so števci, analogno-digitalni pretvorniki (ADC), vmesniki za uporabniško interakcijo ter programabilna vhodno-izhodna (I/O) vratca, vse skupaj v eni enoti. Za razliko od FPGA mikrokrmilnik ne prekonfigurira naprav samodejno. Namesto tega izvaja vgrajeno programske aplikacije ali strojno opremo (firmware), ki čipu natančno določa, kako naj deluje. Zato je razvoj sistemov na osnovi mikrokrmilnikov običajno preprostejši za usvojiti kot razvoj na osnovi FPGA.

Mikrokrmilniki se uporabljajo za globoko vgrajen nadzor naprav in realno časovne vgrajene aplikacije, kjer je cilj uspešno branje vhodnih signalov, izbira in vodenje rezultatov. Dominirajo v potrošniških izdelkih, komercialnih krmilnikih, nosljivih napravah, domačih napravah, avtomobilskih elektronikah in IoT napravah. Posebej cenjeni so zaradi učinkovitosti mikrokrmilnikov, nizke cene mikrokrmilnikov in zmanjšane porabe energije. Če vaš načrt zahteva standarden, varnosten in ekonomičen nadzor, je MCU običajno prva izbira.

Številni MCU temeljijo na arhitekturah, kot so RISC arhitektura, jedra ARM mikrokrmilnikov ali številne druge vgrajene procesorske družine. Glavne kategorije mikrokrmilnikov so 8-bitni, 16-bitni in 32-bitni modeli. . Običajno jih programiramo z jeziki, kot so C programi, vgrajeni C++ programi ali različni drugi programski orodji za firmware. V številnih sistemih skrbijo za zajem podatkov, komunikacijo, nastavitve energije in vmesnike ter pri tem porabljajo zelo malo energije.

Osnovni komponenti mikrokrmilnika

Zakaj inženirji uporabljajo mikrokrmilnike

Mikrokrmilniki so prednostno izbrani zaradi naslednjih razlogov:

Jeftini mikrokrmilniki za proizvodnjo

Enostavna integracija neposredno v tiskane vezje (PCB)

Učinkoviti za naprave na baterijski pogon

Preprostejše odpravljanje napak v primerjavi z FPGA

Odlični za mikrokrmilniške aplikacije v nadzoru in opozarjanju

Primerni za nizkoenergijske aplikacije in vsakodnevne elektronske naprave

Tipične aplikacije mikrokrmilnikov

Pametni domači napravi

Hišno opreme

Krmilni sistemi za nosilne elektronske naprave

Avtomobilski elektronski sistemi

Industrijski kontrolni sistemi

Členi senzorske enote

Mobilne elektronske naprave

Potrošniška elektronika

Glavne prednosti mikrokrmilnika

Osnovna programska oprema mikrokrmilnika

Zmanjšana poraba energije

Nižja cena kot pri FPGA

Enostavno za izdelavo

Mobilna merilna oprema

Trdna podpora površine in območje naprave

Omejitve glavnega mikrokrmilnika

Omejeno vzporedno obdelovanje

Ni idealen za pospeševanje orodij po meri

Zelo manj prilagodljiv kot FPGA strojna oprema

Težave imajo pri resnično visokih hitrostih ali zelo specializiranih nalogah

FPGA in mikrokrmilniki: ključne razlike

Najpomembnejše razlike med FPGA in mikrokrmilniki se nanašajo na načrtovanje, arhitekturo obdelave, fleksibilnost in metodo razvoja. FPGA je ponovno konfigurabilna strojna oprema, mikrokrmilnik pa je fiksna centralna procesorska enota, ki izvaja programske programe. Ta ena razlika vpliva na praktično vse ostalo, kar se nanaša na način njihovega delovanja, način programiranja in vključitve v tiskano vezje (PCB).

Strojna arhitektura

FPGA je zgrajen iz logičnih celic, programabilnih povezav in konfigurabilnih blokov, ki jih lahko neposredno nastavimo v prilagojene elektronske vezje. Mikrokrmilnik je celoten procesor z določeno arhitekturo. Notranje strukture mikrokrmilnika ne morete spremeniti tako kot pri FPGA-ju. Lahko spremenite le njegovo programske opreme (firmware). To pomeni, da se FPGA lahko spremeni v skoraj vsako digitalno vezje, medtem ko mikrokrmilnik ostane nespremenjen in preprosto izvaja različne programe.

Model obdelave

FPGA izvaja vzporedno obdelavo. Več logičnih poti lahko hkrati tečejo. Mikrokrmilnik izvaja zaporedno obdelavo, pri kateri se ukazi izvajajo en za drugim, tudi če so nekatera opravila prekinjena ali pa jih nadzoruje več jedrov. To naredi FPGA-je še posebej učinkovite za obdelavo podatkov visoke hitrosti in za prilagojene sisteme, ki so občutljivi na čas.

Način programiranja

Za programiranje FPGA-jev se uporabljajo jeziki za opis hardvera (HDL), kot sta Verilog in VHDL.

Mikrokrmilniki uporabljajo programske jezike, kot so C in C++.

Moč in stroški

Mikrokrmilniki običajno porabljajo znatno manj energije in so cenejši. FPGA-ji običajno zahtevajo veliko več energije, saj so zasnovani za raznoliko logiko in obdelavo visoke hitrosti. Kompenzacija je v tem, da FPGA-ji lahko rešujejo zahtevnejše zmogljivostne naloge.

Tabela primerjave

FPGA nasproti mikrokrmilniku: glavne podobnosti

Čeprav so si v resnici različni, imata FPGA in mikrokrmilniški sistemi nekaj ključnih podobnosti. Oba se uporabljata v vgrajenih sistemih, oba se lahko namestita na tiskano ploščo in oba lahko komunicirata z dejanskimi vhodi in izhodi. Preprosto povedano, oba sta orodji za razvijanje rešitev vgrajenih računalniških sistemov.

Skupne podobnosti

Oba sta programabilna.

Oba se uporabljata pri razvoju vgrajene opreme.

Oba lahko upravljata senzorje, komunikacije in aktuatorje.

Oba podpirata obdelavo v realnem času.

Oba se uporabljata pri izdelavi elektronskih naprav.

Obe lahko sestavljata izbiro sistemov na čipu ali hibridnih vgrajenih sistemov.

Skupne vloge v izdelku

FPGA in MCU lahko obe:

Preglejte informacije o senzorski enoti.

Kontrolirajte rezultate.

Komunicirajta prek komunikacijskih avtobusov.

Pomagata pri vzdrževanju sistemskega časovanja.

Delujeta znotraj elektronskih krmilnih sistemov.

Ali naj uporabite FPGA ali MCU na svoji tiskani plošči?

Odločitev je odvisna od ciljev vašega sistema, zlasti pri oblikovanju tiskane ploščice (PCB) in formatu PCB. Izbor procesorja vpliva na število kontaktov, debelino prevodnikov, porazdelitev moči, toploto in tudi na število plasti ploščice. Zato primerjava procesorjev za vgrajene sisteme mora potekati že v zgodnji fazi razvoja izdelka, ne pa šele po izdelavi ploščice.

Kdaj ima mikrokrmilnik več smisla

Izberite MCU, kadar potrebujete:

Cena ugodna.

Zmanjšano porabo energije.

Preprostejše nadzorovanje vgrajenih naprav.

Majhen fizični vpliv.

Enostavno posodabljanje programske opreme.

Enostavno povezovanje senzorjev.

Ko je FPGA bolj smiselna izbira

Izberite FPGA, kadar potrebujete:

Hitro obdelavo podatkov.

Enake postopke.

Osebjen vmesnik.

Hitrost FPGA.

Zapleten nadzor časovnega zaporedja.

Ponovna konfiguracija orodij.

Znaten večji pretok kot ga lahko zagotovi programska procesorska enota.

FPGA se običajno uporabljajo v telekomunikacijskih sistemih, komercialnih avtomatizacijskih sistemih, aplikacijah za obdelavo signalov in napredni instrumentaciji.

Razmisliti o načrtovanju tiskanih vezjev za FPGA

Plošče FPGA običajno zahtevajo:

BGA pakete.

HDI tiskane plošče za usmerjanje.

Mikrovije.

Previdna stabilnost signala.

Trdna zmogljivost napajanja.

Napredna termična priprava.

Večplastne sestave z večjim številom plasti.

Razmisliti o načrtovanju tiskanih vezij za mikrokrmilnike

Plošče MCU so običajno lažje izdelati, ker:

Število kontaktov je zmanjšano.

Napetostne tirnice so preprostejše.

Prenos gostote je udobnejši.

Zgradba ploščice je pogosto veliko manj zapletena.

Praktična primerjava za oblikovalce tiskanih vezij

FPGA in mikrokrmilnik: Ali jih lahko uporabimo skupaj?

Da – in v več sofisticiranih sistemih to tudi storijo. Mešana razporeditev je običajno najbolj pametna način, da se združijo prednosti obeh sodobnih tehnologij. Mikrokrmilnik opravlja splošne naloge nadzora, komunikacije in programske opreme, medtem ko FPGA opravlja podatkovno intenzivne ali časovno kritične postopke. To je klasičen primer sodelujočega oblikovanja strojne in programske opreme.

Zakaj hibridne konstrukcije delujejo dobro

Mikrokrmilnik je odličen za:

Zagon in zagon sistema.

Sledenje senzorjem.

Vmesnik.

Upravljanje tehnike.

Vodstvo pri nizki porabi energije.

FPGA je izjemna za:

Obdelavo istih podatkov.

Obdelavo signalov v realnem času.

Hitrost umetne inteligence.

Upravljanje videoposnetkov.

Osebno prilagojen čas interakcije.

Prednosti hibridnega sistema

Značilno boljša stabilnost učinkovitosti.

Zmanjšana ogroženost v primerjavi s prisilo enega čipa, da opravi vse naloge.

Preprostejše razdeljevanje nalog.

Dobra razširljivost.

Zelo zanesljivejša uporaba silicijne opreme.

Pogoste hibridne aplikacije

Mikrokrmilnik in FPGA: Prednostne uporabe po panogah

Številni trgi izbirajo različne procesorje glede na svoje skrbi. Nekateri največ skrbijo za stroške in preprostost. Drugi največ skrbijo za hitrost in deterministično obnašanje orodij. Zato se aplikacije FPGA in aplikacije mikrokrmilnikov običajno združujejo po tržnih segmentih.

Industrije, ki pogosto preferirajo mikrokrmilnike

Mikrokrmilniki so običajno pripravljeni v:

Potrošniški digitalni napravi.

Nosilni elektroniki.

Aparatur.

Nizko cenovne naprave za internet stvari (IoT).

Prenosni elektronski orodja.

Osnovni komercialni sistemi za nadzor.

Te izdelke običajno zazna majhna dimenzija, zmanjšana poraba energije in cenovno ugodna proizvodnja.

Industrije, ki pogosto preferirajo FPGA

FPGA so običajno prednostno izbrane za:

Aerokosmične aplikacije.

Telekomunikacijske orodja.

Visokohitrostne instrumente.

Napredne klinične slikovne sisteme.

Obrambne elektronske naprave.

Sisteme računalniškega vida.

Industrijske aplikacije regulatorjev električnih motorjev z zapletenimi časovnimi zahtevami.

Te panoge na splošno zahtevajo visoko zmogljive vgrajene sisteme, prilagojeno logiko in deterministično časovno usklajevanje.

Panoge, ki uporabljajo obe vrsti

Avtomobilski elektronski orodja.

Različne uporabe robotike.

Industrijska digitalna orodja.

Profesionalna elektronska naprava.

Napredni sistemi za interakcijo.

Tabela prednostnih industrijskih rešitev

Zaključek

Izbira med FPGA in mikrokrmilnikom je v resnici izbira med ponovno konfigurabilno strojno opremo in učinkovitim krmiljenjem s fiksno funkcijo. FPGA so najprimernejši, kadar potrebujete enake zmogljivosti za krmiljenje, integrirano vezje, prilagodljivost opreme, prilagojen časovni načrt in visokohitrostno obdelavo podatkov. Mikrokrmilniki so najprimernejši, kadar potrebujete nizko porabo energije, cenovno ugodne rešitve in preprostejši razvoj za vgrajene sisteme, ki so osredotočeni na krmiljenje.

Nobena od obeh rešitev ni splošno boljša. Najboljša izbira je odvisna od vaše naloge, proračuna, ciljev zmogljivosti in omejitev tiskane ploščice (PCB). Če vaš izdelek potrebuje osnovno krmilno enoto, je mikrokrmilnik običajno boljša rešitev. Če pa potrebuje prilagojeno sklepanje ali intenzivno obdelavo podatkov, je FPGA običajno močnejša izbira. Če je vaš projekt napreden, je najboljša rešitev morda sodelovanje obeh komponent na isti ploščici.

Pogosta vprašanja

Kakšne so razlike med FPGA in mikrokrmilnikom?

FPGA je ponovno konfigurabilna oprema, ki omogoča vzporedno obdelavo. Mikrokrmilnik je fiksna procesorska enota (CPU), ki izvaja programske kode za zaporedne krmilne naloge.

Ali lahko FPGA nadomesti mikrokrmilnik?

Pogosto, a ne vedno. FPGA lahko opravi nekatere krmilne naloge, vendar običajno ni najučinkovitejša možnost za preproste, nizkoenergijske aplikacije.

Ali se FPGA in mikrokrmilnik lahko med seboj povežeta?

Da. Številni sistemi uporabljajo mikrokrmilnik (MCU) za krmiljenje ter FPGA za visokohitrostno obdelavo podatkov ali pospeševanje strojne opreme.

Ali je FPGA boljši od mikrokrmilnikov?

Ne vedno. FPGA je boljši za zapletene, vzporedne in visoko zmogljive naloge. Mikrokrmilniki so boljši za osnovne, poceni in nizkoenergijske aplikacije.

Kaj je boljše za vgrajene sisteme?

To je odvisno od aplikacije. Za osnovno krmiljenje uporabite mikrokrmilnik. Za visokohitrostno logiko ali prilagojeno obdelavo uporabite FPGA.