FPGA กับไมโครคอนโทรลเลอร์: ความแตกต่างและข้อคล้ายคลึงที่สำคัญ

FPGA เทียบกับไมโครคอนโทรลเลอร์: ความแตกต่างและข้อคล้ายคลึงที่สำคัญ

FPGA และไมโครคอนโทรลเลอร์: เข้าใจความแตกต่างที่สำคัญ

สารบัญ

• บทนำ
• นิยามของ FPGA คืออะไร?
• ไมโครคอนโทรลเลอร์คืออะไร?
• FPGA และไมโครคอนโทรลเลอร์: ความแตกต่างที่สำคัญ
• FPGA เทียบกับไมโครคอนโทรลเลอร์: ความคล้ายคลึงหลัก
• คุณควรใช้ FPGA หรือ MCU บนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ของคุณหรือไม่?
• FPGA และไมโครคอนโทรลเลอร์: สามารถใช้งานร่วมกันได้หรือไม่?
• ไมโครคอนโทรลเลอร์และ FPGA: แอปพลิเคชันที่เหมาะสำหรับแต่ละอุตสาหกรรม
• บทสรุป
• คำถามที่พบบ่อย

บทนำ

การเลือกระหว่าง FPGA กับไมโครคอนโทรลเลอร์ ถือเป็นหนึ่งในการตัดสินใจที่สำคัญที่สุดในระบบฝังตัว (embedded systems) และ การออกแบบ PCB โปรเซสเซอร์ที่คุณเลือกจะส่งผลต่อประสิทธิภาพ การใช้พลังงาน ต้นทุน เวลาในการพัฒนา และแม้แต่รูปแบบการจัดวางแผงวงจร (PCB) ของคุณ ในการทำงานหลายประเภท การตัดสินใจครั้งนี้อาจกำหนดความสำเร็จของผลิตภัณฑ์ทั้งหมด ซึ่ง FPGA  (FPGA) สามารถให้ความสามารถในการประมวลผลแบบขนานที่ทรงพลังและมีความยืดหยุ่นสูงในการปรับใช้งาน ขณะที่ไมโครคอนโทรลเลอร์ให้ระบบคอมพิวเตอร์ฝังตัวที่ใช้งานง่ายและมีประสิทธิภาพสำหรับแอปพลิเคชันที่เน้นการควบคุม

โดยรวมแล้ว ความแตกต่างคือดังนี้: FPGA เป็นอุปกรณ์ที่สามารถปรับแต่งโครงสร้างใหม่ได้ ในขณะที่ไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นระบบคอมพิวเตอร์แบบชิปเดียวที่ออกแบบมาเพื่อประมวลผลคำสั่งต่อเนื่องกันไป ซึ่งหมายความว่า FPGA มักถูกเลือกใช้เมื่อต้องการการประมวลผลเชิงตรรกะที่ปรับแต่งเฉพาะ หรือการประมวลผลข้อมูลความเร็วสูง หรือความเร็วของฮาร์ดแวร์ ในทางกลับกัน ไมโครคอนโทรลเลอร์มักถูกเลือกใช้เมื่อต้องการการใช้พลังงานต่ำกว่า ราคาถูกกว่า และการใช้งานที่ง่ายกว่ามาก ทั้งสองประเภทนี้ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ฝังตัว อย่างไรก็ตาม แต่ละชนิดมีจุดประสงค์ในการแก้ปัญหาที่ต่างกัน

ความขัดแย้งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากสิ่งของสมัยใหม่มีความซับซ้อนมากกว่าที่เคยเป็นมาอย่างมาก อุปกรณ์อาจต้องทำหน้าที่หลายประการพร้อมกัน เช่น การตรวจจับอุปกรณ์ การเชื่อมต่อผ่านอีเธอร์เน็ตหรือบัสแบบคอนเทนเนอร์ การประมวลผลวิดีโอ การทำงานของลูปควบคุมแบบเรียลไทม์ และการจัดการพลังงาน ในหลายกรณี ไมโครคอนโทรลเลอร์ก็เพียงพอแล้ว แต่ในบางกรณี ฟิลด์-โปรแกรมมัเบิลเกตแอร์เรย์ (FPGA) กลับเหมาะสมกว่าอย่างมาก และในระบบที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น ทั้งสองชนิดอาจทำงานร่วมกันบนบอร์ดเดียวกันเพื่อให้ระบบควบคุมมีเสถียรภาพ ควบคุมต้นทุน และเพิ่มประสิทธิภาพ

ข้อเท็จจริงโดยย่อ

ตัวอย่างการใช้งานจริง

ลองนึกภาพการสร้างกล้องเชิงสร้างสรรค์ หากอุปกรณ์นี้ต้องการเพียงประเมินการกดปุ่ม ควบคุมหน่วยตรวจจับ และส่งข้อมูลเกี่ยวกับปัญหาออกไป ไมโครคอนโทรลเลอร์อาจเพียงพอแล้ว แต่หากกล้องนั้นต้องประมวลผลวิดีโอความเร็วสูง มีประสิทธิภาพสูง การปรับปรุงภาพแบบเรียลไทม์ หรือการให้เหตุผลด้วยปัญญาประดิษฐ์ (AI) ฟิลด์-โปรแกรมม able แกตเวย์แอร์เรย์ (FPGA) อาจเป็นทางเลือกที่ดีกว่ามาก เนื่องจากสามารถดำเนินงานหลายชุดพร้อมกันได้ด้วยความหน่วงเวลา (latency) ที่ต่ำมาก นี่คือประเภทของการตัดสินใจแบบแลกเปลี่ยน (tradeoff) ที่นักออกแบบต้องเผชิญทุกวันในการสร้างต้นแบบอุปกรณ์ดิจิทัลและการพัฒนาสิ่งของต่าง ๆ

นิยามของ FPGA ?

FPGA หรือ Area Programmable Gateway Variety เป็นอุปกรณ์ประมวลผลแบบเขียนโปรแกรมได้ชนิดหนึ่ง ซึ่งช่วยให้นักออกแบบสามารถกำหนดการทำงานของฮาร์ดแวร์ได้หลังจากที่ชิปถูกผลิตขึ้นจริงแล้ว นี่คือแนวคิดหลักของการใช้งาน FPGA: แทนที่จะเขียนซอฟต์แวร์เพื่อทำงานบนโปรเซสเซอร์ที่มีโครงสร้างคงที่ คุณกำลังออกแบบและสร้างฮาร์ดแวร์เองเพื่อปฏิบัติงานเฉพาะอย่างใดอย่างหนึ่ง ทำให้ FPGA แตกต่างโดยสิ้นเชิงจากไมโครคอนโทรลเลอร์ โดยไมโครคอนโทรลเลอร์มักดำเนินการคำสั่งทีละขั้นตอนตามลำดับ ในขณะที่ FPGA สามารถประมวลผลหลายงานพร้อมกันได้ด้วยการประมวลผลแบบขนาน

FPGA ถูกพัฒนาขึ้นจากโครงข่ายขนาดใหญ่ขององค์ประกอบตรรกะที่สามารถเขียนโปรแกรมได้ ทรัพยากรการส่งสัญญาณ และบล็อกอินพุต/เอาต์พุต (I/O blocks) หนึ่งในบล็อกสร้างพื้นฐานที่พบบ่อยที่สุดประกอบด้วยบล็อกตรรกะที่กำหนดค่าได้ (Configurable Logic Blocks: CLBs), ตารางค้นค่า (Look-Up Tables: LUTs), ฟลิป-ฟลอบ (flip-flops: FFs), มัลติเพล็กเซอร์ (multiplexers) และการเชื่อมต่อแบบเขียนโปรแกรมได้ (programmable interconnects) องค์ประกอบเหล่านี้ทำงานร่วมกันเพื่อดำเนินการประมวลผลตรรกะด้านอิเล็กทรอนิกส์ ควบคุมจังหวะเวลา (timing behavior) อินเทอร์เฟซการสื่อสาร และระบบควบคุมเฉพาะทาง ขณะเดียวกัน FPGA สมัยใหม่จำนวนมากยังประกอบด้วยบล็อกหน่วยความจำแบบฝังตัว (embedded memory blocks) บล็อกประมวลผลสัญญาณดิจิทัล (DSP blocks) และทรานส์ซีเวอร์ (transceivers) สำหรับอินเทอร์เฟซความเร็วสูง เช่น PCIe, Ethernet หรือลิงก์วิดีโอ (video links) ด้วยเหตุนี้ FPGA จึงมักถูกนำมาใช้งานในคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง แอปพลิเคชันการประมวลผลสัญญาณ และแอปพลิเคชัน FPGA ที่ต้องการความหน่วงเวลา (latency) ต่ำอย่างแท้จริง

ต่างจากไมโครโปรเซสเซอร์ ฟิลด์-โปรแกรมมับเบิลเกตแอร์เรย์ (FPGA) มักจะถูกกำหนดค่าด้วยภาษาโปรแกรมเชิงฮาร์ดแวร์ เช่น VHDL หรือ Verilog ซึ่งไม่ใช่ภาษาสำหรับเขียนซอฟต์แวร์ประยุกต์ในความหมายทั่วไป แต่เป็นภาษาอธิบายอุปกรณ์ (device description languages) ที่นิยามขาเข้าตรรกะ เวลาที่ใช้ในการทำงาน เส้นทางการส่งข้อมูล การจัดการสัญญาณไฟฟ้า และพฤติกรรมของสถานะ (state behaviors) นี่คือเหตุผลที่การพัฒนา FPGA มักเรียกว่า “การเขียนโปรแกรมระดับฮาร์ดแวร์” หรือ “การออกแบบแบบตรรกะ” วิศวกรไม่ได้สั่งให้ FPGA ทำสิ่งใดสิ่งหนึ่งโดยละเอียด แต่พวกเขาอธิบายว่าอุปกรณ์ควรประกอบและเชื่อมต่อกันอย่างไรในรูปแบบตรรกะ วิธีนี้ใช้งานได้จริง แต่ก็ทำให้กระบวนการพัฒนาซับซ้อนยิ่งกว่าการเขียนโปรแกรมไมโครคอนโทรลเลอร์มาก

บล็อกพื้นฐานหลักของ FPGA

เหตุใดวิศวกรจึงใช้ FPGA

มักเลือกใช้ FPGA เมื่องานนั้นต้องการ:

การคำนวณที่เหมือนกันทุกประการ

อัตราค่าอุปกรณ์

ฮาร์ดแวร์ที่สามารถกำหนดค่าใหม่ได้

ความหน่วงเวลาต่ำเป็นพิเศษ

อินเทอร์เฟซผู้ใช้ที่ออกแบบและผลิตขึ้นเฉพาะ

การสร้างตัวอย่างอย่างรวดเร็ว

ประสิทธิภาพที่สามารถปรับขนาดได้

ตัวอย่างเช่น ในระบบการมองเห็นด้วยคอมพิวเตอร์ ระบบการจัดการภาพ และระบบการจัดการสัญญาณวิดีโอ FPGA สามารถประมวลผลพิกเซลหรือสตรีมข้อมูลจำนวนหนึ่งพร้อมกันได้ ในระบบอัตโนมัติสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ FPGA สามารถดำเนินการประมวลผลการควบคุมความเร็วสูงด้วยช่วงเวลาที่แน่นอน (deterministic timing) ได้ ส่วนในอุปกรณ์โทรคมนาคม FPGA สามารถปรับแต่งสตรีมข้อมูลให้มีประสิทธิภาพสูงโดยไม่ต้องรอให้ CPU ทำงานเสร็จสิ้นแต่ละรอบคำสั่ง ระดับของการควบคุมที่แม่นยำเช่นนี้เป็นหนึ่งในเหตุผลหลักที่ทำให้ FPGA ถูกนำมาใช้งานบ่อยครั้งในการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับยานอวกาศ ระบบนำทางแบบความแม่นยำสูง (high-precision guidance systems) และระบบฝังตัว (embedded systems) ที่ไม่สามารถยอมรับความไม่แน่นอนของช่วงเวลาได้

เหตุใดวิศวกรจึงใช้ FPGA

ไมโครคอนโทรลเลอร์ ซึ่งมักเรียกกันสั้นๆ ว่า MCU เป็นระบบคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กที่ถูกสร้างขึ้นบนชิปเดียวเพื่อทำหน้าที่ควบคุมแบบฝังตัว โดยทั่วไปแล้วจะประกอบด้วยหน่วยประมวลผลกลาง (CPU) หน่วยความจำ และอุปกรณ์รอบข้าง เช่น ตัวจับเวลา (timers) อะนาล็อก-ดิจิทัลคอนเวอร์เตอร์ (ADCs) อินเทอร์เฟซผู้ใช้สำหรับการสื่อสาร และพอร์ตอินพุต/เอาต์พุตที่เขียนโปรแกรมได้ ทั้งหมดรวมอยู่ในชิปเดียว ต่างจาก FPGA ไมโครคอนโทรลเลอร์ไม่สามารถปรับเปลี่ยนโครงสร้างของอุปกรณ์เองได้ แต่จะทำงานโดยการรันซอฟต์แวร์หรือเฟิร์มแวร์แบบฝังตัวซึ่งกำหนดให้ชิปนั้นปฏิบัติงานตามคำสั่งที่ระบุไว้อย่างชัดเจน นี่คือเหตุผลที่การพัฒนาแอปพลิเคชันด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์มักมีความซับซ้อนน้อยกว่าการพัฒนาด้วย FPGA

ไมโครคอนโทรลเลอร์ถูกผลิตขึ้นเพื่อควบคุมอุปกรณ์อย่างลึกซึ้งและใช้งานในระบบที่ฝังตัวแบบเรียลไทม์ โดยมีเป้าหมายหลักคือการอ่านสัญญาณขาเข้า ประมวลผล และขับเคลื่อนผลลัพธ์ให้สำเร็จ ไมโครคอนโทรลเลอร์มีบทบาทสำคัญในสินค้าสำหรับผู้บริโภค ระบบควบคุมเชิงพาณิชย์ อุปกรณ์สวมใส่ได้ อุปกรณ์ภายในบ้าน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับยานยนต์ และอุปกรณ์อินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) ทั้งนี้ ไมโครคอนโทรลเลอร์ได้รับความนิยมอย่างมากเนื่องจากประสิทธิภาพสูง ต้นทุนต่ำ และการใช้พลังงานน้อย หากการออกแบบของคุณต้องการระบบควบคุมที่มาตรฐาน มีความปลอดภัย และประหยัดต้นทุน ไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) มักจะเป็นตัวเลือกแรก

ไมโครคอนโทรลเลอร์จำนวนมากออกแบบบนสถาปัตยกรรมต่าง ๆ เช่น สถาปัตยกรรม RISC หรือแกนไมโครคอนโทรลเลอร์ ARM หรือครอบครัวโปรเซสเซอร์ฝังตัวอื่น ๆ อีกหลายชนิด การจำแนกประเภทไมโครคอนโทรลเลอร์หลัก ได้แก่ รุ่น 8-bit, 16-bit และ 32-bit . โดยทั่วไปแล้ว ไมโครคอนโทรลเลอร์จะถูกเขียนโปรแกรมด้วยภาษาต่าง ๆ เช่น ภาษา C, ภาษา C++ สำหรับระบบฝังตัว หรือเครื่องมือเฟิร์มแวร์อื่น ๆ ในระบบจำนวนหนึ่ง ไมโครคอนโทรลเลอร์ทำหน้าที่ควบคุมหน่วยรับสัญญาณ การสื่อสาร การจัดการพลังงาน และอินเทอร์เฟซ ขณะใช้พลังงานน้อยมาก

ส่วนประกอบไมโครคอนโทรลเลอร์หลัก

เหตุใดวิศวกรจึงใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์

ไมโครคอนโทรลเลอร์ได้รับความนิยมเนื่องจากมีคุณสมบัติดังนี้:

ไมโครคอนโทรลเลอร์ราคาประหยัดสำหรับการผลิต

ติดตั้งลงบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ได้ง่าย

มีประสิทธิภาพสูงสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่

ตรวจสอบข้อผิดพลาดได้ง่ายกว่า FPGA

เหมาะอย่างยิ่งสำหรับแอปพลิเคชันไมโครคอนโทรลเลอร์ด้านการควบคุมและการเฝ้าสังเกต

เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันที่ใช้พลังงานต่ำและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ประจำวัน

แอปพลิเคชันทั่วไปของไมโครคอนโทรลเลอร์

อุปกรณ์สมาร์ทโฮม

เครื่องใช้ในบ้าน

ระบบควบคุมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับยานยนต์

ระบบควบคุมอุตสาหกรรม

โหนดหน่วยตรวจจับ

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค

ข้อได้เปรียบหลักของไมโครคอนโทรลเลอร์

เฟิร์มแวร์ไมโครคอนโทรลเลอร์พื้นฐาน

การใช้พลังงานลดลง

ราคาต่ำกว่า FPGA

ผลิตได้ง่าย

การวัดแบบพกพา

การรองรับพื้นที่แบบแข็งและพื้นที่อุปกรณ์

ข้อจำกัดของไมโครคอนโทรลเลอร์หลัก

การจัดการแบบขนานที่ถูกจำกัด

ไม่เหมาะสำหรับการเร่งความเร็วเครื่องมือที่ออกแบบเฉพาะ

มีความยืดหยุ่นน้อยกว่าฮาร์ดแวร์ FPGA อย่างมาก

อาจเผชิญความท้าทายในการประมวลผลที่มีความเร็วสูงมากหรืองานเฉพาะทางจริงๆ

FPGA และไมโครคอนโทรลเลอร์: ความแตกต่างที่สำคัญ

ความแตกต่างที่สำคัญที่สุดระหว่าง FPGA กับไมโครคอนโทรลเลอร์ สรุปได้เป็นสี่ประเด็น ได้แก่ การออกแบบ สถาปัตยกรรมการประมวลผล ความยืดหยุ่น และวิธีการพัฒนา โดย FPGA คือฮาร์ดแวร์ที่สามารถกำหนดค่าใหม่ได้ ในขณะที่ไมโครคอนโทรลเลอร์คือหน่วยประมวลผลกลาง (CPU) ที่ทำงานด้วยโปรแกรมซอฟต์แวร์ ความแตกต่างเพียงข้อนี้ส่งผลกระทบต่อเกือบทุกด้านที่เกี่ยวข้องกับวิธีการทำงาน วิธีการเขียนโปรแกรม และวิธีการบูรณาการเข้ากับเลย์เอาต์แผงวงจรพิมพ์ (PCB)

สถาปัตยกรรมฮาร์ดแวร์

FPGA ถูกสร้างขึ้นจากเซลล์ลอจิก (logic cells), การเชื่อมต่อที่สามารถเขียนโปรแกรมได้ (programmable interconnects) และบล็อกที่สามารถกำหนดค่าได้ (configurable blocks) ซึ่งสามารถจัดตั้งขึ้นเป็นวงจรไฟฟ้าเฉพาะทางได้โดยตรง ไมโครคอนโทรลเลอร์คือหน่วยประมวลผลกลาง (CPU) แบบครบวงจรที่มีการออกแบบมาอย่างรอบคอบ คุณไม่สามารถเปลี่ยนโครงสร้างภายในของไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) ได้ เช่นเดียวกับที่คุณสามารถกำหนดค่า FPGA ได้ คุณสามารถเปลี่ยนเฟิร์มแวร์ของ MCU ได้เท่านั้น ซึ่งหมายความว่า FPGA สามารถทำหน้าที่เป็นวงจรดิจิทัลเกือบทุกชนิด ในขณะที่ MCU จะยังคงมีโครงสร้างเดิมเสมอ และเพียงแต่รันโค้ดที่แตกต่างกันเท่านั้น

รูปแบบการประมวลผล

FPGA ดำเนินการประมวลผลแบบขนาน (parallel processing) โดยสามารถรันคำสั่งลอจิกหลายชุดพร้อมกันได้ในเวลาเดียวกัน ในทางกลับกัน ไมโครคอนโทรลเลอร์ใช้การประมวลผลแบบลำดับ (consecutive processing) ซึ่งคำสั่งจะถูกดำเนินการทีละคำสั่งตามลำดับ แม้ว่าบางงานอาจถูกกระตุ้นด้วยอินเทอร์รัปต์หรือจัดการโดยหลายคอร์ก็ตาม สิ่งนี้ทำให้ FPGA มีประสิทธิภาพสูงเป็นพิเศษสำหรับการประมวลผลข้อมูลความเร็วสูงและระบบเฉพาะทางที่ต้องการการควบคุมเวลาอย่างแม่นยำ

รูปแบบการเขียนโปรแกรม

การเขียนโปรแกรม FPGA ใช้ภาษา HDL เช่น Verilog และ VHDL

ไมโครคอนโทรลเลอร์ใช้ภาษาโปรแกรมประยุกต์ เช่น C และ C++

พลังงานและต้นทุน

ไมโครคอนโทรลเลอร์มักใช้พลังงานน้อยกว่าและมีราคาถูกกว่า ฟิลด์-โปรแกรมมับเบิลเกตแอร์เรย์ (FPGA) โดยทั่วไปต้องการพลังงานมากกว่า เนื่องจากถูกออกแบบมาเพื่อการประมวลผลแบบยืดหยุ่นและด้วยความเร็วสูง ข้อแลกเปลี่ยนคือ FPGA สามารถจัดการกับปัญหาประสิทธิภาพที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นได้

ตารางเปรียบเทียบ

FPGA เทียบกับไมโครคอนโทรลเลอร์: ความคล้ายคลึงหลัก

แม้ว่าทั้งสองระบบจะมีความแตกต่างกันโดยธรรมชาติ แต่ FPGA กับไมโครคอนโทรลเลอร์ก็มีความคล้ายคลึงกันที่สำคัญบางประการ ทั้งสองชนิดถูกใช้งานในระบบฝังตัว ทั้งสองชนิดสามารถติดตั้งบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ได้ และทั้งสองชนิดสามารถสื่อสารกับสัญญาณขาเข้าและขาออกจากโลกแห่งความเป็นจริงได้ กล่าวอย่างย่อคือ ทั้งสองชนิดเป็นเครื่องมือสำหรับพัฒนาโซลูชันคอมพิวเตอร์แบบฝังตัว

ความคล้ายคลึงร่วมกัน

ทั้งสองชนิดสามารถเขียนโปรแกรมได้

ทั้งสองชนิดถูกนำมาใช้ในการพัฒนาอุปกรณ์ฝังตัว

ทั้งสองชนิดสามารถจัดการกับเซนเซอร์ การสื่อสาร และแอคทูเอเตอร์ได้

ทั้งสองชนิดรองรับการประมวลผลแบบเรียลไทม์

ทั้งสองชนิดถูกใช้ในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ทั้งสองชนิดสามารถเป็นส่วนหนึ่งของโซลูชันระบบออนชิป (SoC) หรือระบบฝังตัวแบบไฮบริดได้

บทบาทร่วมกันในผลิตภัณฑ์

ทั้ง FPGA และ MCU สามารถทำได้ดังนี้:

ตรวจสอบข้อมูลหน่วยตรวจจับ

ควบคุมผลลัพธ์

เชื่อมต่อกับบัสการสื่อสาร

ช่วยดูแลการจัดเวลาของระบบ

ทำงานภายในระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์

คุณควรใช้ FPGA หรือ MCU บนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ของคุณหรือไม่?

การตอบสนองขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของระบบคุณ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) และรูปแบบของแผงวงจรพิมพ์ การเลือกหน่วยประมวลผลกลาง (CPU) ส่งผลต่อจำนวนขาของชิป ความหนาของการส่งสัญญาณ การกระจายพลังงาน ความร้อน ราคา และจำนวนชั้นของแผงวงจรพิมพ์เช่นกัน นี่คือเหตุผลที่การเปรียบเทียบ CPU สำหรับระบบฝังตัวจำเป็นต้องดำเนินการตั้งแต่ระยะเริ่มต้นของการพัฒนาผลิตภัณฑ์ ไม่ใช่หลังจากที่แผงวงจรพิมพ์ถูกผลิตขึ้นแล้ว

เมื่อควรเลือกไมโครคอนโทรลเลอร์

เลือกไมโครคอนโทรลเลอร์เมื่อคุณต้องการ:

ราคาประหยัด

พลังงานลดลง

การควบคุมอุปกรณ์แบบฝังตัวที่ง่ายขึ้น

ผลกระทบทางกายภาพน้อย

การอัปเกรดเฟิร์มแวร์ได้ง่าย

การเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ได้โดยไม่ซับซ้อน

เมื่อ FPGA มีเหตุผลมากกว่า

เลือก FPGA เมื่อคุณต้องการ:

การประมวลผลความเร็วสูง

ขั้นตอนที่เหมือนกัน

อินเทอร์เฟซที่ปรับแต่งเฉพาะบุคคล

ความเร็วของ FPGA

การควบคุมจังหวะเวลาที่ซับซ้อน

การกำหนดค่าเครื่องมือใหม่

อัตราการประมวลผลสูงกว่าโปรเซสเซอร์ซอฟต์แวร์อย่างมาก

FPGA มักใช้ในระบบโทรคมนาคม ระบบอัตโนมัติเชิงพาณิชย์ แอปพลิเคชันการจัดการสัญญาณ และเครื่องมือวัดขั้นสูง

ข้อพิจารณาในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับ FPGA

บอร์ด FPGA มักต้องการ:

แพ็กเกจ BGA

แผงวงจรพิมพ์แบบ HDI

ไมโครเวีย

สัญญาณความมั่นคงแบบระมัดระวัง

ความซื่อสัตย์ของพลังงานที่มั่นคง

การเตรียมความพร้อมด้านความร้อนขั้นสูง

การจัดเรียงชั้นแบบมีจำนวนชั้นมากขึ้น

ข้อพิจารณาในการออกแบบ PCB สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์

บอร์ด MCU มักจะผลิตได้ง่ายกว่าเนื่องจาก:

จำนวนขา (pin) ลดลง

ระบบจ่ายไฟ (power rails) ซับซ้อนน้อยลง

ความหนาแน่นของการถ่ายโอนสะดวกยิ่งขึ้น

การจัดเรียงชั้นของบอร์ด (board stackup) มักจะซับซ้อนน้อยลง

การเปรียบเทียบเชิงปฏิบัติสำหรับผู้ออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

FPGA และไมโครคอนโทรลเลอร์: สามารถใช้งานร่วมกันได้หรือไม่?

ใช่ — และในหลายระบบที่ซับซ้อน พวกเขาก็ทำเช่นนั้นจริงๆ การจัดวางแบบผสมผสานมักเป็นวิธีที่ชาญฉลาดที่สุดในการรวมจุดแข็งของนวัตกรรมสมัยใหม่ทั้งสองแบบเข้าด้วยกัน ไมโครคอนโทรลเลอร์ทำหน้าที่ควบคุมทั่วไป การสื่อสาร และงานเฟิร์มแวร์ ในขณะที่ FPGA ทำหน้าที่ประมวลผลข้อมูลจำนวนมากหรืองานที่ต้องการความแม่นยำสูงด้านเวลา นี่คือตัวอย่างทั่วไปของการออกแบบร่วมระหว่างฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์

เหตุใดการออกแบบแบบผสมผสานจึงให้ผลดี

ไมโครคอนโทรลเลอร์เหมาะมากสำหรับ:

การบูตและเริ่มต้นระบบ

การติดตามเซ็นเซอร์

อินเทอร์เฟซ.

การจัดการเทคนิค

การนำทางแบบใช้พลังงานต่ำ

เอฟพีจีเอ (FPGA) เหมาะอย่างยิ่งสำหรับ:

การประมวลผลข้อมูลเดียวกัน

การประมวลผลสัญญาณแบบเรียลไทม์

ความเร็วของปัญญาประดิษฐ์ (AI)

การจัดการคลิปวิดีโอ

การกำหนดเวลาในการมีปฏิสัมพันธ์แบบเฉพาะบุคคล

ข้อดีของระบบไฮบริด

ความเสถียรของประสิทธิภาพที่ดีกว่ามาก

ความเสี่ยงที่ลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับการบังคับให้ชิปตัวเดียวทำทุกอย่าง

การแบ่งงานทำได้ง่ายกว่ามาก

ความสามารถในการปรับขนาดได้ดี

การใช้อุปกรณ์ซิลิคอนมีความน่าเชื่อถือมากยิ่งขึ้น

การประยุกต์ใช้ระบบไฮบริดทั่วไป

ไมโครคอนโทรลเลอร์และ FPGA: แอปพลิเคชันที่เหมาะสำหรับแต่ละอุตสาหกรรม

ตลาดหลายแห่งเลือกใช้โปรเซสเซอร์ที่แตกต่างกันตามความกังวลเฉพาะของตน บางตลาดให้ความสำคัญกับต้นทุนและหนทางที่เรียบง่ายเป็นหลัก ในขณะที่บางตลาดให้ความสำคัญกับอัตราความเร็วและการทำงานที่แน่นอนของเครื่องมือเป็นหลัก นี่คือเหตุผลที่แอปพลิเคชัน FPGA และแอปพลิเคชันไมโครคอนโทรลเลอร์มักจะแยกตัวตามตลาด

อุตสาหกรรมที่มักให้ความนิยมไมโครคอนโทรลเลอร์

ไมโครคอนโทรลเลอร์มักได้รับความนิยมใน:

อุปกรณ์ดิจิทัลสำหรับลูกค้า

อุปกรณ์สวมใส่

เครื่องใช้ไฟฟ้า.

อุปกรณ์อินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) ราคาประหยัด

เครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา

ระบบควบคุมเชิงพาณิชย์พื้นฐาน

ผลิตภัณฑ์เหล่านี้โดยทั่วไปต้องการขนาดเล็ก การใช้พลังงานต่ำ และต้นทุนการผลิตที่ประหยัด

อุตสาหกรรมที่มักให้ความนิยม FPGA

FPGA มักได้รับความนิยมใน:

การใช้งานในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ

เครื่องมือด้านโทรคมนาคม

เครื่องมือวัดความเร็วสูง

การถ่ายภาพทางคลินิกขั้นสูง

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับการป้องกันประเทศ

ระบบการมองเห็นของคอมพิวเตอร์

การใช้งานตัวควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้าเชิงอุตสาหกรรมที่มีการจัดลำดับเวลาอย่างซับซ้อน

ภาคอุตสาหกรรมเหล่านี้โดยทั่วไปต้องการระบบที่ฝังตัวไว้ (embedded systems) ที่มีประสิทธิภาพสูง การให้เหตุผลแบบเฉพาะบุคคล และการจัดลำดับเวลาแบบแน่นอน (deterministic timing)

อุตสาหกรรมที่ใช้งานทั้งสองประเภท

เครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์สำหรับยานยนต์

การประยุกต์ใช้หุ่นยนต์

เครื่องมือดิจิทัลสำหรับอุตสาหกรรม

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ระดับมืออาชีพ

ระบบปฏิสัมพันธ์ขั้นสูง

ตารางความชอบของอุตสาหกรรม

บทสรุป

ตัวเลือกระหว่าง FPGA กับไมโครคอนโทรลเลอร์ แท้จริงแล้วคือการเลือกระหว่างฮาร์ดแวร์ที่สามารถกำหนดค่าใหม่ได้กับการควบคุมแบบฟังก์ชันคงที่ที่มีประสิทธิภาพ FPGA เหมาะสมที่สุดเมื่อคุณต้องการความสามารถในการควบคุมที่เหมือนกัน วงจรรวม อุปกรณ์ที่มีความยืดหยุ่น เวลาที่กำหนดเอง และการประมวลผลข้อมูลความเร็วสูง ส่วนไมโครคอนโทรลเลอร์เหมาะที่สุดเมื่อคุณต้องการการใช้พลังงานต่ำ ต้นทุนต่ำ และการพัฒนาที่ง่ายกว่าสำหรับระบบฝังตัวที่เน้นการควบคุม

ไม่มีตัวเลือกใดที่เหนือกว่าอีกตัวโดยทั่วไปเสมอไป ทางเลือกที่ดีที่สุดขึ้นอยู่กับงานของคุณ งบประมาณการลงทุน เป้าหมายด้านประสิทธิภาพ และข้อจำกัดของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) หากผลิตภัณฑ์ของคุณต้องการตัวควบคุมพื้นฐาน ไมโครคอนโทรลเลอร์มักจะเป็นทางเลือกที่ดีกว่า แต่หากต้องการตรรกะที่กำหนดเองหรือการประมวลผลข้อมูลจำนวนมาก FPGA มักจะเป็นตัวเลือกที่ทรงพลังกว่า สำหรับโครงการที่ซับซ้อน ทางเลือกที่ดีที่สุดอาจเป็นการใช้ทั้งสองตัวร่วมกันบนแผงวงจรเดียวกัน

คำถามที่พบบ่อย

ความแตกต่างระหว่าง FPGA กับไมโครคอนโทรลเลอร์คืออะไร

FPGA เป็นอุปกรณ์ที่สามารถปรับแต่งใหม่ได้ และทำงานแบบประมวลผลขนาน ส่วนไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นหน่วยประมวลผลกลาง (CPU) ที่มีโครงสร้างคงที่ ซึ่งรันเฟิร์มแวร์เพื่อควบคุมงานแบบลำดับขั้นตอน

FPGA สามารถแทนที่ไมโครคอนโทรลเลอร์ได้หรือไม่

บ่อยครั้ง แต่ไม่เสมอไป FPGA สามารถจัดการงานควบคุมบางประเภทได้ อย่างไรก็ตาม มันมักไม่ใช่ทางเลือกที่มีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับแอปพลิเคชันที่เรียบง่ายและใช้พลังงานต่ำ

FPGA กับไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถสื่อสารร่วมกันได้หรือไม่

ได้ ระบบหลายประเภทใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) สำหรับงานควบคุม และใช้ FPGA สำหรับการประมวลผลข้อมูลความเร็วสูง หรือการเร่งประสิทธิภาพของฮาร์ดแวร์

FPGA ดีกว่าไมโครคอนโทรลเลอร์หรือไม่

ไม่เสมอไป FPGA เหมาะกว่าสำหรับงานที่ซับซ้อน มีลักษณะขนาน และต้องการประสิทธิภาพสูง ในขณะที่ไมโครคอนโทรลเลอร์เหมาะกว่าสำหรับงานพื้นฐาน ราคาต่ำ และใช้พลังงานต่ำ

อะไรดีกว่าสำหรับระบบฝังตัว (Embedded Systems)

ขึ้นอยู่กับการใช้งาน หากเป็นงานควบคุมพื้นฐาน ให้ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ แต่หากต้องการตรรกะความเร็วสูง หรือการประมวลผลแบบกำหนดเอง ให้ใช้ FPGA