FPGA kundrejt Mikrokontrollorit: Diferencat dhe Ngjashmëritë Kryesore

FPGA kundrejt Mikrokontrollorit: Diferencat dhe Ngjashmëritë Kryesore

FPGA-të dhe Mikrokontrollorët: Kuptimi i Diferencave Kryesore

Tabela e Lëndës

• Hyrje
• Përkufizimi i FPGA-së?
• Çfarë është një Mikrokontrollor?
• FPGA-të dhe Mikrokontrollorët: Diferencat Kryesore
• FPGA kundrejt mikrokontrolluesit: Ngjashmëritë kryesore
• A duhet të përdorni një FPGA ose një MCU në PCB-në tuaj?
• FPGA & Mikrokontrolleri: A mund të përdoren së bashku?
• Mikrokontrolleri & FPGA: Aplikimet e preferuara sipas industrisë
• Përfundim
• Pyetje të shpeshta

Hyrje

Zgjedhja midis një FPGA dhe një mikrokontrolleri është një nga zgjedhjet më të rëndësishme në sistemet e ngulitura dhe Dizajn PCB . Procesori që zgjidhni ndikon në performancë, konsumin e energjisë, shpejtësinë, kohën e zhvillimit dhe gjithashtu në mënyrën se si duhet të organizohet tabela juaj e qarkut. Në një numër detyrash, ajo zgjedhje krijon tërë produktin. Një FPGA  (FPGA) mund të ofrojë përpunim paralel të fuqishëm dhe fleksibilitet të mjeteve, ndërsa një mikrokontroller ofron një sistem kompjuterik të ngulitur të thjeshtë dhe efikas për aplikime që janë të fokusuar në kontroll.

Në nivel të lartë, ndryshimi është ky: një FPGA është pajisje e rikonfigurueshme, ndërsa një mikrokontroler është një sistem kompjuterik me një çip të vetëm i ndërtuar për ekzekutimin e përzgjedhur të udhëzimeve. Kjo tregon se një FPGA zakonisht zgjidhet kur keni nevojë për arsyetim të përshtatur, përpunim të shpejtë të të dhënave ose shpejtësi hardware. Një mikrokontroler zakonisht zgjidhet kur keni nevojë për konsumim më të ulët energjie, kosto më të ulët dhe një përdorim më të lehtë të mikrokontrolerit. Të dyja përdoren gjerësisht në dizajnimin e veglave elektronike të integruara, megjithatë ato zgjidhin probleme të ndryshme.

Ky kontrast lidhet me faktin se gjërat moderne janë shumë më komplekse se kurrë më parë. Pajisjet mund të kërkojnë kontrollim të pajisjeve, lidhje përmes Ethernet ose bus-it të kontenerit, përpunim video, ekzekutim unazash kontrolli në kohë reale dhe menaxhim energjie, të gjitha njëkohësisht. Në shumicën e rasteve, një mikrokontrollor është i mjaftueshëm. Në raste të tjera, një FPGA është zgjidhja më e mirë. Dhe në sistemet e sofistikuara, të dyja mund të punojnë së bashku në të njëjtën tabelë për të balancuar kontrollin, çmimin dhe efikasitetin.

Të vërteta të shpejta

Një Shembull Praktik

Imagjinoni kriimin e një kamere kreative. Nëse pajisja ka nevojë vetëm për të vlerësuar butonat, për të menaxhuar një sensor dhe për të dërguar informacione rreth problemeve, një mikrokontroler mund të jetë i mjaftueshëm. Por nëse kamera duhet të kryejë përpunim të shpejtë të videot, performancë të lartë, përmirësim real-kohor të imazheve ose arsyetim AI, një FPGA mund të jetë një zgjidhje shumë më e mirë, pasi mund të menaxhojë shumë detyra në paralel me vonësim shumë të ulët. Kjo është lloji i kompromisit me të cilin përballet çdo ditë dizajnerët gjatë prototipizimit të mjeteve digjitale dhe zhvillimit të objekteve.

Përkufizimi i FPGA ?

Një FPGA, ose Variety e Programueshme e Zonës, është një lloj pajisjeje të programueshme që lejon dizajnerëve të përcaktojnë aktivitetet e pajisjeve pasi çipi është prodhuar në fakt. Kjo është ideja kryesore prapa programeve FPGA: në vend që të shkruani një aplikacion softueri që funksionon në një procesor të fiksuar, ju po zhvilloni vetë pajisjen për të kryer një funksion të caktuar. Kjo bën një FPGA thelbësisht të ndryshme nga një mikrokontroler. Një mikrokontroler mund të ekzekutojë udhëzime një nga një, ndërsa një FPGA mund të kryejë shumë operacione njëkohësisht duke përdorur përpunimin paralel.

Një FPGA zhvillohet nga një rrjet i madh i aspekteve të programueshme të arsyetimit, burimeve të transmetimit dhe bllokut të I/O. Një nga blloqet më të përdorura ndërtuese përbëhen nga Blloqet e Konfigurueshme të Logjikës (CLB), Tabelat e Kërkimit (LUT), flip-flop-et (FF), multiplexerët dhe lidhjet e programueshme. Këto komponente punojnë së bashku për të kryer logjikën elektronike, shkallën e kohëzimit, ndërfaqet e komunikimit dhe sistemet e kontrollit të personalizuara. Numri i madh i FPGA-ve moderne përfshin gjithashtu blloqe të thella kujtese, blloqe DSP dhe transceivers për interfase të shpejtë si PCIe, Ethernet ose lidhje web video. Si rezultat, FPGA-të përdoren shpesh në kompjutere me performancë të lartë, aplikacione përpunimi sinjalish dhe aplikacione FPGA që kërkojnë vonesë faktike shumë të ulët.

Ndryshe nga një mikroprocesor, një FPGA zakonisht konfigurohet me gjuhë programimi HDL siç janë VHDL ose Verilog. Këto nuk janë gjuhë aplikimesh software në kuptimin e zakonshëm. Ato janë gjuhë për përkthim të pajisjeve që përcaktojnë hyrjet logjike, kohëzimin, shtigjet e të dhënave, përpunimin e sinjaleve elektronike dhe sjelljen e gjendjeve. Kjo është arsyeja pse zhvillimi i FPGA-s quhet zakonisht programim në nivel hardware ose stil logjik. Inxhinierët nuk i tregojnë FPGA-s çfarë të bëjë në mënyrë të plotë. Ata përshkruajnë se si duhet të ndërtohet dhe të lidhet pajisja në formë logjike. Kjo funksionon, por e bën edhe zhvillimin shumë më të vështirë se programimi i mikrokontrolluesve.

Blokut kryesor të ndërtimit të FPGA-s

Pse Inxhinierët Përdorin FPGA-të

FPGA-të zgjidhen kur një punë kërkon:

Llogaritje identike

Shkalla e pajisjeve

Hardware e riprogramueshme

Vonesë jashtëzakonisht të ulët

Interfaçe përdoruesi të personalizuara

Larg dhe Prototipimi Larg dhe Shpejt

Efikasitet të zmadhueshëm

Për shembull, në shikimin e sistemeve kompjuterike, sistemet e përpunimit të imazheve dhe përpunimin e sinjaleve video, një FPGA mund të përpunojë njëkohësisht një numër pikselash ose rrjedhësh të dhënash. Në sistemet e automatizimit tregtar, ajo mund të menaxhojë arsyetimin e kontrollit me shpejtësi të lartë me kohëzim determinist. Në pajisjet telekomunikacioni, ajo mund të rregullojë rrjedhat e informacionit me shpejtësi të lartë pa pritur që një CPU të përfundojë cikle instruksionesh individuale. Ky nivel i kontrollit është një nga faktorët që bën FPGA-të të përdoren shpesh në montimin e PCB-ve ajrospaciale, në pajisjet e vazhdueshme të marrjes së të dhënave dhe në sistemet e brendshme që nuk mund të tolerojnë papërcaktueshmërinë e kohëzimit.

Pse Inxhinierët Përdorin FPGA-të

Një mikrokontrollues, i quajtur zakonisht MCU, është një sistem kompjuteri i vogël në një çip të vetëm, i ndërtuar për detyra të kontrollit të integruar. Ai përfshin zakonisht një njësi qendrore të përpunimit (CPU), kujtesë dhe periferalë si timerë, konvertues analog-digitale (ADC), interfase përdoruesi për komunikim dhe hyrje/dalje programueshme në një paketë të vetme. Ndryshe nga një FPGA, një mikrokontrollues nuk rikonfiguron vetë pajisjet. Në vend të kësaj, ai ekzekuton një aplikacion softueri të integruar ose firmware që i tregon çipit saktësisht se si të veçojë. Kjo është arsyeja pse zhvillimi i mikrokontrolluesve është zakonisht më i thjeshtë për t'u mësuar se zhvillimi i FPGA-ve.

Mikrokontrollorët prodhohen për kontrollin e thellë të pajisjeve dhe aplikacionet reale të ngulitura ku qëllimi është të lexojnë hyrjet, të bëjnë zgjedhje dhe të drejtojnë rezultatet me sukses. Ata dominan në produkte për konsumatorë, kontrollore komerciale, pajisje të veshura, pajisje shtëpiake, elektronikë automobilistike dhe pajisje IoT. Ata vlerësohen veçanërisht për efikasitetin e mikrokontrollorëve, çmimin e mikrokontrollorëve dhe përdorimin e ulët të energjisë. Nëse dizajni juaj kërkon një kontroll standard, të sigurt dhe ekonomik, MCU-ja është zakonisht zgjedhja e parë.

Shumë MCU bazohen në arkitektura si arkitektura RISC, nukrat e mikrokontrollorëve ARM ose shumë familje të tjera procesorësh të ngulitur. Klasifikimet kryesore të mikrokontrollorëve janë modelet 8-bit, 16-bit dhe 32-bit . Ata zakonisht programohen duke përdorur gjuhë si programet C, programet e ngulitura C++ ose pajisje firmware të tjera. Në disa sisteme, ata kujdesen për unitet e marrjes së të dhënave, interaksionin, konfigurimet e energjisë dhe ndërfaqen, duke përdorur energji shumë të ulët.

Përbërësit kryesorë të mikrokontrolluesit

Pse Inxhinierët Përdorin Mikrokontrollorë

Mikrokontrollorët preferohen sepse janë:

Mikrokontrollorë të lirë për prodhim

Të lehtë për t'u integruar direkt në ndërtimin e PCB-së

Efikas për pajisje me bateri

Të thjeshtë për t'u debuguar krahasuar me FPGA-të

Shumë të mirë për aplikimet e mikrokontrollorëve në kontroll dhe mbikëqyrje

Të mirë për aplikime me konsum të ulët energjie dhe pajisje elektronike të përditshme

Aplikime Tipike të Mikrokontrollorëve

Pajisje inteligjente për shtëpinë

Ekipamente Shtëpiake

Sisteme kontrolluese për pajisje elektronike të veshura

Pajisje elektronike automobilistike

Sisteme kontrolli industrik

Nyje njësi ndjeshëse

Pajisje elektronike mobile

Pajisje elektronike për konsumatorë

Principoret kryesore të mikrokontrolluesit

Firmware themelore e mikrokontrolluesit

Konsum i zvogëluar energjie

Çmim i minimizuar në krahasim me një FPGA

I lehtë për të prodhuar

Matja mobile

Mbështetje e zonës së ngurtë dhe e zonës së pajisjes

Kufizimet kryesore të mikrokontrollorit

Përpunim paralel i kufizuar

Jo ideale për shpejtësimin e veglave të bëra me porosi

Shumë më pak i përshtatshëm se hardware-i FPGA

Mund të hasë vështirësi me punën me shpejtësi të vërtetë të lartë ose me shumë specializuar

FPGA-të dhe Mikrokontrollorët: Diferencat Kryesore

Dallimet më të mira midis FPGA-së dhe mikrokontrollorit reduktohen në dizajnim, dizajnim procesimi, fleksibilitet dhe metodë zhvillimi. Një FPGA është hardware i rikonfigurueshëm, ndërsa një mikrokontrollor është një CPU i vetëm që ekzekuton një program softueri. Ajo diferencë e vetme ndikon në praktikë në çdo gjë tjetër që lidhet me atë se si funksionojnë, si programohen dhe si integrohen në një tabelë PCB.

Arkitektura e harduerit

Një FPGA ndërtohet nga qeliza logjike, lidhje programueshe dhe blloqe konfigurueshe që mund të vendosen drejtpërdrejt në qarqet elektronike të personalizuara. Një mikrokontrollor është një procesor i plotë me një dizajn të përpiluar. Ju nuk mund të ndryshoni strukturën e brendshme të MCU-së ashtu siç mund të konfiguroni një FPGA. Ju mund të ndryshoni vetëm firmware-n e saj. Kjo do të thotë se një FPGA mund të bëhet praktikisht çdo qark digjital, ndërsa një MCU mbetet i njëjti dhe ekzekuton vetëm kod të ndryshëm.

Modeli i Përpunimit

Një FPGA kryen përpunim paralel. Shumë vija logjike mund të ekzekutohen në të njëjtën kohë. Një mikrokontrollor kryen përpunim serial, ku udhëzimet ekzekutohen njëra pas tjetrës, edhe nëse disa nga punët janë të drejtuara nga ndërprerje ose menaxhohen nga disa core. Kjo bën FPGAt veçanërisht të fuqishme për përpunimin e shpejtë të të dhënave dhe sistemet e personalizuara që janë të ndjeshme ndaj kohëzimit.

Stili i Programimit

Për FPGA-të përdoren gjuhët HDL si Verilog dhe VHDL.

Mikrokontrollorët përdorin gjuhë programimi aplikacionesh si C dhe C++.

Fuqia dhe Çmimi

Mikrokontrollorët zakonisht konsumojnë shumë më pak energji dhe kushtojnë më pak. FPGA-të zakonisht kërkojnë shumë më shumë energji, pasi janë të ndërtuar për arsyetim të lëvizshëm dhe përpunim me shpejtësi të lartë. Kompromisi është se FPGA-të mund të përballojnë probleme më të vështira performancësh.

Tabelë e Larg

FPGA kundrejt mikrokontrolluesit: Ngjashmëritë kryesore

Edhe pse janë faktikisht të ndryshëm nga brenda, sistemet FPGA dhe mikrokontrolluesit ndajnë disa ngjashmëri të rëndësishme. Të dyja përdoren në sistemet e integruara, të dyja mund të vendosen në një kartë të shtypur të qarkut elektrik dhe të dyja mund të komunikojnë me hyrjet dhe daljet reale. Në thelb, të dyja janë mjetet për zhvillimin e zgjidhjeve të sistemeve kompjuterike të integruara.

Ngjashmëritë të përbashkëta

Të dyja janë programueshme.

Të dyja përdoren në zhvillimin e pajisjeve të integruara.

Të dyja mund të menaxhojnë sensorët, komunikimet dhe aktuatorët.

Të dyja mbështesin përpunimin në kohë reale.

Të dyja përdoren në prodhimin e pajisjeve elektronike.

Të dyja mund të jenë pjesë e zgjidhjeve të sistemit në një çip ose sistemeve të ngulitura hibride.

Roli i përbashkët në një produkt

Të dyja FPGA dhe MCU mund të:

Rishikojnë të dhënat nga sensorët.

Kontrollojnë rezultatet.

Interaktojnë me bus-et e komunikimit.

Ndihmojnë në menaxhimin e kohëzgjatjes së sistemit.

Funksionojnë brenda sistemeve të kontrollit elektronik.

A duhet të përdorni një FPGA ose një MCU në PCB-në tuaj?

Përgjigja varet nga objektivet e sistemit tuaj, veçanërisht në dizajnimin dhe formatin e PCB-së. Zgjedhja e procesorit ndikon në numrin e skajave, trashësinë e shtresave të transmetimit, shpërndarjen e energjisë, nxehtësinë, çmimin, si dhe numrin e shtresave të bordit. Kjo është arsyeja pse krahasimi i procesorëve të sistemeve të ngulitura duhet të bëhet herët në fazën e zhvillimit të produktit, jo pasi bordi është tashmë prodhuar.

Kur një Mikrokontrollor Ka Më Shumë Kuptim

Zgjidhni një MCU kur keni nevojë për:

E lirë.

Ulje të fuqisë.

Kontroll më të thjeshtë të pajisjeve të brendshme.

Ndikim fizik të vogël.

Përmirësim të lehtë i firmware-s.

Interfacing të thjeshtë me sensorë.

Kur një FPGA Ka Më Shumë Kuptim

Zgjidhni një FPGA kur keni nevojë për:

Arkim të shpejtë.

Procedura identike.

Ndërfaqe personalizuar.

Shpejtësia e FPGA-s.

Kontroll i komplikuar i kohëzimit.

Rikonfigurimi i mjetve.

Shkarkim shumë më i mirë se ai që mund të ofrojë një procesor softueri.

FPGA-t përdoren zakonisht në sistemet telekomunikacioni, sistemet komerciale automatizimi, aplikacionet e përpunimit të sinjalit dhe instrumentacioni i avancuar.

Konsideratat për dizajnimin e PCB-ve për FPGA-t

Tavolinat FPGA zakonisht kërkojnë:

Paketat BGA.

PCB me densitet të lartë të integruar (HDI).

Microvias.

Stabilitet i kujdesshëm i sinjalit.

Integritet i fortë i fuqisë.

Përgatitje e avancuar termike.

Stackup-e me numër më të madh shtresash.

Konsiderata për dizajnimin e PCB-ve për mikrokontrollues.

Tavolinat MCU janë zakonisht më të thjeshta për t'u prodhuar sepse:

Numri i skedave është zvogëluar.

Rrethet e fuqisë janë më të thjeshta.

Transferimi i dendësisë është shumë më i lehtë.

Struktura e pllakës së qarkut të shtypur (PCB) zakonisht mund të jetë shumë më e thjeshtë.

Krahasim praktik për dizajnerët e PCB-ve

FPGA & Mikrokontrolleri: A mund të përdoren së bashku?

Po — dhe në disa sisteme të sofistikuar, ato e bëjnë këtë. Një format i kombinuar është zakonisht mënyra më e inteligjentë për të kombinuar forcat e të dy innovacioneve moderne. Mikrokontrolleri përgjigjet për kontrollin e përgjithshëm, ndërveprimin dhe detyrat e firmware-it, ndërsa FPGA-ja përgjigjet për procedurat që kërkojnë shumë të dhëna ose që janë kritike në lidhje me kohën. Kjo është një shembull i zakonshëm i dizajnit bashkë hardware-software.

Pse dizajnet hibride funksionojnë mirë

Një mikrokontroller është i përsosur për:

Nisja e sistemit dhe e boot-it.

Gjurmimi i sensorëve.

Ndërfaqe.

Menaxhimi i teknikave.

Udhëzimi me konsumim të ulët energjie.

Një FPGA është e shkëlqyeshme për:

Përpunimi i të njëjtave detaje.

Përpunimi në kohë reale i sinjalit.

Shpejtësia e inteligjencës artificiale.

Përpunimi i klipeve video.

Kohëzimi i ndërveprimi personalizuar.

Benefitet e sistemit hibrid

Stabilitet shumë më i mirë i efikasitetit.

Rrezik i zvogëluar në krahasim me detyrimin e një çip-i të kryejë çdo gjë.

Ndarja më e lehtë e detyrave.

Shkallëzim i mirë.

Përdorimi i pajisjeve silikoni është shumë më i besueshëm.

Aplikime të zakonshme hibride

Mikrokontrolleri & FPGA: Aplikimet e preferuara sipas industrisë

Shumë tregjet zgjedhin procesorë të ndryshëm në bazë të shqetësimeve të tyre. Disa janë më shumë të shqetësuara për çmimin dhe thjeshtësinë. Të tjerë janë më shumë të shqetësuara për shpejtësinë dhe veprimet deterministike të veglave. Kjo është arsyeja pse aplikimet e FPGA-së dhe aplikimet e mikrokontrolluesve zakonisht grupohen sipas tregut.

Industritë që zakonisht preferojnë mikrokontrolluesit

Mikrokontrolluesit zakonisht preferohen në:

Pajisjet digjitale të konsumatorit.

Pajisjet e veshur.

Aparate.

Pajisjet e tanishme të Internetit të Gjërave (IoT) me çmim të ulët.

Mjetet elektronike mobile.

Sistemet themelore të kontrollit komercial.

Këto produkte zakonisht kërkojnë dimensione të vogla, përdorim të ulët energjie dhe prodhim me kosto të ulët.

Industritë që shpesh preferojnë FPGA-të.

FPGA-të zakonisht preferohen në:

Aplikime ajrore.

Mjetet e telekomunikacionit.

Instrumentacioni me shpejtësi të lartë.

Imazhi klinik i avancuar.

Pajisjet elektronike të mbrojtjes.

Sisteme vizioni të sistemeve kompjuterike.

Aplikime industriale të kontrolloreve të motorëve elektrikë me kohëzim të sofistikuar.

Këto sektorë në përgjithësi kërkojnë sisteme të integruara me performancë të lartë, arsyetim të personalizuar dhe kohëzim deterministik.

Industritë që përdorin të dyja

Mjetet elektronike automobilistike.

Aplikime robotike.

Mjetet digjitale industriale.

Pajisje elektronike profesionale.

Sisteme të avancuara të ndërveprimi.

Tabela e preferencave industriale

Përfundim

Zgjedhja midis FPGA-së dhe mikrokontrollorit është në fakt një zgjedhje midis harduerit të rikonfigurueshëm dhe kontrollit efikas me funksion të fiksuar. FPGA-të janë më të mira kur keni nevojë për kapabilitete të njëjta të menaxhimit, qarkullim të integruar, përshtatshmëri të pajisjeve, kohëzgjatje të personalizuar dhe përpunim të informacionit me shpejtësi të lartë. Mikrokontrollorët janë më të mirë kur keni nevojë për konsum të ulët energjie, kosto efikase dhe zhvillim më të thjeshtë për sistemet e ngulitura që fokusohen në kontroll.

Asnjëra nuk është zakonisht shumë më e mirë. Zgjedhja e shkëlqyer varet nga puna juaj, plani i investimeve, objektivet e performancës dhe kufizimet e PCB-së. Nëse produkti juaj ka nevojë për një kontrollor të thjeshtë, mikrokontrollori është zakonisht zgjidhja më e mirë. Nëse ka nevojë për arsyetim të personalizuar ose përpunim të rëndë të të dhënave, FPGA-ja është zakonisht zgjidhja më e fortë. Nëse projekti juaj është i avancuar, alternativa më e mirë mund të jetë përdorimi i të dyjave bashkë në të njëjtën tabelë.

Pyetje të shpeshta

Cilat janë dallimet midis FPGA-së dhe mikrokontrollorit?

Një FPGA është një pajisje e riprogramueshme që kryen përpunim paralel. Një mikrokontrollor është një CPU e fiksuar që ekzekuton firmware për detyra kontrolli të pasueshme.

A mund të zëvendësojë një FPGA një mikrokontrollor?

Shpesh, por jo gjithmonë. Një FPGA mund të kryejë disa detyra kontrolli, megjithatë zakonisht nuk është njëra nga alternativat më efikase për aplikime të thjeshta dhe me konsum të ulët energjie.

A mund të komunikojnë FPGA-ja dhe mikrokontrollori?

Po. Sistemet e ndryshme përdorin një MCU për kontroll dhe një FPGA për përpunimin e shpejtë të informacionit ose për shpejtësinë e pajisjeve.

A është FPGA shumë më i mirë se mikrokontrollorët?

Jo gjithmonë. FPGA është më i mirë për aplikime të komplekse, paralele dhe me performancë të lartë. Mikrokontrollorët janë më të mirë për aplikime të thjeshta, me çmim të ulët dhe me konsum të ulët energjie.

Çfarë është më e mirë për sistemet e brendshme?

Varet nga aplikimi. Për kontroll të thjeshtë, përdorni një mikrokontrollor. Për arsyetim me shpejtësi të lartë ose përpunim të personalizuar, përdorni një FPGA.