FPGA kontra mikrokontroller: Viktiga skillnader och likheter

FPGA jämfört med mikrokontroller: Viktiga skillnader och likheter

FPGA och mikrokontroller: Förstå de viktigaste skillnaderna

Innehållsförteckning

• Introduktion
• Vad är en FPGA?
• Vad är en mikrokontroller?
• FPGA och mikrokontroller: Viktiga skillnader
• FPGA kontra mikrokontroller: Viktigaste likheter
• Ska du använda en FPGA eller en MCU på din kretskort?
• FPGA och mikrokontroller: Kan de användas tillsammans?
• Mikrokontroller och FPGA: Önskade applikationer efter bransch
• Slutsats
• Frågor som ofta ställs

Inledning

Att välja mellan en FPGA och en mikrokontroller är ett av de viktigaste besluten inom inbyggda system och PCB-design . Den processor du väljer påverkar prestanda, effektförbrukning, kostnad, utvecklingstid samt hur din kretskortlayout ska se ut. I flera projekt avgör detta val hela produkten. En FPGA  (FPGA) kan erbjuda kraftfull parallellbearbetning och stor flexibilitet, medan en mikrokontroller ger en enkel, effektiv inbyggd datorsystemlösning för styrningsinriktade applikationer.

På en hög nivå är skillnaden den här: en FPGA är omkonfigurerbar utrustning, medan en mikrokontroller är ett enfetssystem som är konstruerat för sekventiell instruktionsutförning. Det innebär att en FPGA vanligtvis väljs när man behöver anpassad logik, höghastighetsdatahantering eller hårdvaruhastighet. En mikrokontroller väljs ofta när man kräver lägre efforförbrukning, lägre kostnad och en mycket enklare mikrokontrollerlösning. Båda används omfattande i design av inbyggda elektroniska verktyg, men de löser olika problem.

Denna kontrast beror på att moderna system är betydligt mer komplexa än tidigare. Enheter kan behöva hantera enhetsidentifiering, ansluta via Ethernet eller CAN-buss, bearbeta video, köra realtidsstyrloopar och hantera effekthantering samtidigt. I många fall räcker en mikrokontroller. I andra fall är en FPGA bättre lämpad. Och i avancerade system kan båda samarbeta på samma kretsplatta för att balansera styrning, kostnad och effektivitet.

Snabba fakta

Ett praktiskt exempel

Föreställ dig att skapa en kreativ kamera. Om enheten endast behöver utvärdera knappar, styra en sensor och skicka ut felinformation kan en mikrokontroller vara tillräcklig. Men om kameran måste utföra höghastighetsvideobehandling, hög prestanda, realtidsbildförbättring eller AI-baserad resonemang är en FPGA kanske ett bättre val, eftersom den kan hantera flera uppgifter parallellt med mycket låg latens. Detta är den typ av avvägning som designers ställs inför dagligen vid prototypframställning av digitala verktyg och produktskapat utveckling.

Definition av FPGA ?

En FPGA, eller Field-Programmable Gate Array, är en typ av programmerbar logikkomponent som tillåter konstruktörer att definiera kretsens funktioner efter att chipet faktiskt har tillverkats. Detta är den centrala idén bakom FPGA-programmering: istället för att skriva programvara som körs på en fast processor utvecklar man själva hårdvaran för att utföra en specifik funktion. Detta gör att en FPGA skiljer sig åt från en mikrokontroller. En mikrokontroller kan utföra instruktioner sekventiellt, medan en FPGA kan utföra flera operationer samtidigt genom parallell bearbetning.

En FPGA utvecklas från ett stort rutnät av programmerbara logikblock, överföringsresurser och I/O-block. En av de vanligaste byggblocken består av konfigurerbara logikblock (CLB), uppslagsstabeller (LUT), klockade vippor (FF), multiplexers och programmerbara anslutningar. Dessa komponenter arbetar tillsammans för att utföra digital logik, tidsstyrda funktioner, kommunikationsgränssnitt och anpassade styrsystem. Otaliga moderna FPGA-enheter innehåller också integrerade minnesblock, DSP-block och transceivers för snabba gränssnitt som PCIe, Ethernet eller videolänkar. Därför används FPGAs ofta inom högpresterande datorer, signalbehandlingsapplikationer och FPGA-applikationer som kräver verkligt låg latens.

Till skillnad från en mikroprocessor konfigureras en FPGA vanligtvis med HDL-programmeringsspråk såsom VHDL eller Verilog. Dessa är inte programspråk i vanlig bemärkelse. De är hårdvarubeskrivningsspråk som definierar logiska portar, tidsstyrning, datapathar, elektrisk signalhantering och tillståndsbeteenden. Detta är anledningen till att FPGA-utveckling vanligen kallas hårdvarunivåprogrammering eller logisk design. Ingenjörer säger inte till FPGA:n vad den ska göra i detalj. Istället beskriver de hur utrustningen bör byggas upp och kopplas samman på logisk nivå. Det fungerar, men det gör också utvecklingen betydligt mer utmanande än mikrokontrollerns programmering.

Kärnkomponenter för FPGA

Varför ingenjörer använder FPGA:er

FPGA:er väljs när ett arbete kräver:

Identisk beräkning

Utrustningskostnad

Omprogrammerbar hårdvara

Undantagsvis låg latens

Anpassade användargränssnitt

Snabb prototypering

Skalbar effektivitet

Till exempel kan en FPGA inom datorsystemvision, bildhanteringssystem och videosignalhantering bearbeta flera pixlar eller dataströmmar samtidigt. Inom kommersiella automatiseringssystem kan den hantera höghastighetsstyrlogik med deterministisk tidning. Inom telekommunikationsutrustning kan den finjustera informationsströmmar i hög hastighet utan att vänta på att en CPU ska slutföra enskilda instruktionscykler. Den graden av kontroll är en av anledningarna till att FPGA:er ofta används i luft- och rymdteknikens kretskortsmontage, avancerade mätinstrument och inbyggda system som inte kan tolerera tidsosäkerhet.

Varför ingenjörer använder FPGA:er

En mikrokontroller, vanligtvis kallad en MCU, är ett litet datorsystem på en enda chip som är konstruerat för inbyggda styruppgifter. Den inkluderar vanligtvis en CPU, minne och periferienheter som tidtagare, AD-omvandlare (ADC), gränssnitt för interaktion och programmerbara in-/utgångar (I/O) i ett enda paket. Till skillnad från en FPGA kan en mikrokontroller inte omkonfigurera enheterna själv. Istället kör den inbyggd programvara eller firmware som anger exakt hur chipet ska bete sig. Därför är utveckling av mikrokontrollersystem vanligtvis mindre komplicerad att lära sig än FPGA-utveckling.

Mikrokontroller tillverkas för djupt integrerad enhetsstyrning och realtidsinbyggda applikationer där målet är att läsa indata, fatta beslut och driva resultat effektivt. De dominerar inom konsumentprodukter, industriella styrdon, wearable-enheter, hemsystem, fordonselektronik och IoT-enheter. De uppskattas särskilt för sin effektivitet, låga kostnad och reducerad energiförbrukning. Om ditt koncept kräver standardiserad, säker och ekonomisk styrning är mikrokontrollern (MCU) vanligtvis det första valet.

Många MCUs bygger på arkitekturer såsom RISC-arkitektur, ARM-mikrokontrollorkärnor eller andra inbyggda processorfamiljer. De vanligaste kategorierna av mikrokontroller är 8-bitars, 16-bitars och 32-bitars modeller. . De programmeras normalt med språk som C-programmering, inbyggd C++-programmering eller andra firmware-verktyg. I flera system hanterar de insamlingsenheter, kommunikation, strömförseende och gränssnitt samtidigt som de använder extremt liten mängd energi.

Kärnkomponenter för mikrokontroller

Varför ingenjörer använder mikrokontrollrer

Mikrokontrollrer föredras på grund av att de är:

Billiga mikrokontrollrer för produktion

Lätta att integrera direkt i kretskortsmontering

Effektiva för batteridrivna enheter

Enkla att felsöka jämfört med FPGA:er

Utmärkta för mikrokontrollerapplikationer inom styrning och övervakning

Bra för låg-effektsapplikationer och dagliga elektroniska enheter

Vanliga mikrokontrollerapplikationer

Smart home-gadgets

Hushållsapparater

Styrsystem för bärbara elektroniska enheter

Bilrelaterade elektroniska enheter

Industriella styrsystem

Känslomodulnoder

Mobil elektronik

Konsumentelektronik

Huvudmikrokontrollerns fördelar

Grundläggande mikrokontrollerfirmvara

Minskad effektförbrukning

Lägre pris än en FPGA

Lätta att tillverka

Mobil mätning

Stöd för solid yta och enhetsyta

Huvudmikrokontrollerns begränsningar

Begränsad parallellhantering

Inte idealisk för accelererad användning av specialtillverkade verktyg

Betydligt mindre anpassningsbar än FPGA-hårdvara

Kan kämpa med verkligen höghastighets- eller mycket specialiserade uppgifter

FPGA och mikrokontroller: Viktiga skillnader

De bästa skillnaderna mellan FPGA och mikrokontroller handlar om design, bearbetningsdesign, flexibilitet och utvecklingsmetod. En FPGA är omkonfigurerbar hårdvara, medan en mikrokontroller är en fast CPU som kör programvara. Den enda skillnaden påverkar nästan allt annat som rör hur de fungerar, hur de programmeras och hur de integreras i en kretskortslayout.

Hårdvaruarkitekturen

En FPGA är byggd av logikceller, programmerbara interconnects och konfigurerbara block som kan konfigureras till anpassade elektroniska kretsar. En mikrokontroller är en komplett CPU med en fördefinierad design. Du kan inte ändra den inre strukturen i mikrokontrollern på samma sätt som du kan konfigurera en FPGA. Du kan endast ändra dess firmware. Det innebär att en FPGA kan omvandlas till nästan vilken digital krets som helst, medan en mikrokontroller förblir densamma och endast kör olika programkod.

Bearbetningsmodell

En FPGA utför parallell bearbetning. Många logikprocesser kan köras samtidigt. En mikrokontroller utför sekventiell bearbetning, där instruktioner utförs en efter en, även om vissa uppgifter är avbrottstyrd eller hanteras av flera kärnor. Detta gör FPGAs särskilt kraftfulla för höghastighetsdatahantering och anpassade tidskritiska system.

Programmeringsstil

FPGA-programmering använder HDL-språk som Verilog och VHDL.

Mikrokontroller använder programspråk som C och C++.

Effekt och kostnad

Mikrokontroller förbrukar vanligtvis mycket mindre effekt och är billigare. FPGA:er kräver vanligtvis mycket mer effekt eftersom de är utformade för flexibel logik och höghastighetsbearbetning. Kompromissen är att FPGA:er kan hantera mer krävande prestandauppgifter.

Jämförelsetabell

FPGA kontra mikrokontroller: Viktigaste likheter

Även om de faktiskt skiljer sig åt internt delar FPGA och mikrokontrollersystem viktiga likheter. Båda används i inbyggda system, båda kan monteras på en tryckt kretskort och båda kan kommunicera med verkliga indata och utdata. Med andra ord är båda verktyg för att utveckla inbyggda datorsystemlösningar.

Delade likheter

Båda är programmerbara.

Båda används inom utvecklingen av inbyggda enheter.

Båda kan hantera sensorer, kommunikation och aktuatorer.

Båda stödjer realtidshantering.

Båda används inom elektroniktillverkning.

Båda kan ingå i system-on-chip-lösningar eller hybrida inbyggda system.

Delade roller i en produkt

Både FPGA och MCU kan:

Granska information från sensorenheter.

Styra resultat.

Koppla upp sig mot kommunikationsbussar.

Stödja övervakning av systemets tidsstyrning.

Köras inom elektroniska styrsystem.

Ska du använda en FPGA eller en MCU på din kretskort?

Svaret beror på dina systemmål, särskilt vad gäller kretskortets design och format. Processorns val påverkar antalet kontakter, signalens tjocklek, effektfördelningen, värmeutvecklingen, kostnaden samt antalet lager på kretskortet. Därför måste jämförelsen av inbyggda systemprocessorer ske tidigt i produktutvecklingen, inte efter att kretskortet redan är tillverkat.

När en mikrokontroller är mer lämplig

Välj en mikrokontroller när du behöver:

Billig.

Minskad effekt.

Enklare styrning av inbyggda enheter.

Liten fysisk påverkan.

Enkel firmwareuppdatering.

Okomplicerad sensorkoppling.

När en FPGA är mer lämplig

Välj en FPGA när du behöver:

Höghastighetsberäkningar.

Identiska procedurer.

Anpassad gränssnitt.

FPGA-hastighet.

Komplex tidsstyrning.

Verktygsomkonfigurering.

Märkbart bättre dataflöde än vad en programvaruprocessor kan leverera.

FPGA:er används vanligtvis i telekommunikationssystem, kommersiella automatiseringssystem, signalhanteringsapplikationer och avancerad mätutrustning.

Överväganden för kretskortsdesign vid FPGA:er

FPGA-kort kräver vanligtvis:

BGA-paket.

HDI-kretskortsdrift.

Mikrovia

Försiktig signalstabilitet.

Solid strömförseglighet.

Avancerad termisk förberedelse.

Större antal lager i lageruppbyggnaden.

PCB-konstruktionsöverväganden för mikrokontrollrar

MCU-kort är vanligtvis enklare att tillverka eftersom:

Antalet kontakter minskar.

Strömförsörjningsbanorna är enklare.

Överföringsdensiteten är mer bekväm.

Kortets lageruppbyggnad kan ofta vara betydligt enklare.

Praktisk jämförelse för PCB-designers

FPGA och mikrokontroller: Kan de användas tillsammans?

Ja – och i flera sofistikerade system gör de det. En hybridlayout är vanligtvis det smartaste sättet att kombinera styrkan i båda moderna teknikerna. Mikrokontrollern hanterar allmän styrning, kommunikation och firmwareuppgifter, medan FPGA:n hanterar dataintensiva eller tidskritiska processer. Detta är ett klassiskt exempel på hårdvarusoftvarako-design.

Varför hybriddesigner fungerar bra

En mikrokontroller är utmärkt för:

Start och systemstart.

Sensorövervakning.

Gränssnitt.

Teknikhantering.

Styrning med låg effektförbrukning.

En FPGA är exceptionell för:

Samma datahantering.

Realtime-signalhantering.

AI-prestanda.

Videoklippshantering.

Personlig interaktionstid.

Fördelar med hybridssystem

Märkbart bättre stabilitet i effektiviteten.

Minimerad risk jämfört med att tvinga en enda chip att utföra alla uppgifter.

Märkbart lättare uppdelning av uppgifter.

Bra skalbarhet.

Betydligt mer tillförlitlig användning av kiselinutrustning.

Vanliga hybridapplikationer

Mikrokontroller och FPGA: Önskade applikationer efter bransch

Många marknader väljer olika processorer beroende på sina behov. Vissa lägger störst vikt vid kostnad och enkelhet. Andra prioriterar hastighet och deterministiska verktygsfunktioner. Därför används FPGA-applikationer och mikrokontrollerapplikationer vanligtvis inom olika marknader.

Branscher som ofta föredrar mikrokontrollrer

Mikrokontrollrer föredras vanligtvis i:

Kundens digitala enheter.

Bärbara enheter.

Elektronikartiklar.

Billiga IoT-enheter.

Mobil elektronisk utrustning.

Grundläggande kommersiella styrsystem.

Dessa produkter kräver vanligtvis liten storlek, låg effektförbrukning och kostnadseffektiv produktion.

Branscher som ofta föredrar FPGA:er

FPGA:er föredras vanligtvis i:

Aerospaceapplikationer.

Telekommunikationsverktyg.

Instrumentering för höghastighetsmätning.

Avancerad klinisk bildbehandling.

Försvarsrelaterade elektroniska enheter.

Datorsystem för visionssystem.

Industriella applikationer för elmotorstyrning med komplicerad tidsstyrning.

Dessa sektorer kräver i allmänhet högpresterande inbyggda system, anpassad logik och deterministisk tidsstyrning.

Branscher som använder båda

Elektroniska verktyg för bilindustrin.

Robotikapplikationer.

Industriella digitala verktyg.

Professionella elektroniska enheter.

Avancerade interaktionssystem.

Industriföredragningstabell

Slutsats

Valet mellan FPGA och mikrokontroller är egentligen ett val mellan omkonfigurerbar hårdvara och effektiv fast funktion för styrning. FPGA:er är bäst lämpade när du behöver samma hanteringsfunktioner, integrerad krets, utrustningsanpassningsbarhet, anpassad tidsstyrning och höghastighetsdatahantering. Mikrokontroller är bäst lämpade när du kräver låg effektförbrukning, kostnadseffektivitet och enklare utveckling för inbäddade system med fokus på styrning.

Ingen av lösningarna är vanligtvis bättre. Det bästa valet beror på ditt projekt, din investeringsplan, prestandamål och begränsningar för kretskortet. Om din produkt kräver en enkel styrenhet är en mikrokontroller vanligtvis den bättre lösningen. Om den kräver anpassad logik eller omfattande databehandling är en FPGA vanligtvis det starkare valet. Om ditt projekt är avancerat kan den bästa lösningen vara att kombinera båda på samma kretskort.

Frågor som ofta ställs

Vad är skillnaderna mellan FPGA och mikrokontroller?

En FPGA är utrustning som kan konfigureras om och som utför parallellbearbetning. En mikrokontroller är en fast CPU som kör firmware för sekventiella styruppgifter.

Kan en FPGA ersätta en mikrokontroller?

Ofta, men inte alltid. En FPGA kan hantera vissa styruppgifter, men den är vanligtvis inte det mest effektiva alternativet för enkla, låg-effektsapplikationer.

Kan FPGA och mikrokontroller kommunicera med varandra?

Ja. Olika system använder en MCU för styrning och en FPGA för höghastighetsinformationshantering eller hårdvaruhastighet.

Är FPGA bättre än mikrokontroller?

Inte alltid. FPGA är bättre för komplexa, parallella och högpresterande uppgifter. Mikrokontroller är bättre för enkla, billiga och låg-effektsapplikationer.

Vad är bättre för inbyggda system?

Det beror på applikationen. För enkel styrning används en mikrokontroller. För höghastighetslogik eller anpassad bearbetning används en FPGA.