Leiterplatte Blog - FPGA vs. Mikrocontroller

FPGA ist ein integrierter Chip, der hauptsächlich aus digitalen Schaltungen besteht und zu einer Art programmierbarer Logikgeräte (PLD) gehört; FPGA entwickelte sich als semi-kundenspezifische Schaltung im Bereich der spezialisierten integrierten Schaltungen (ASICs), die nicht nur die Mängel kundenspezifischer Schaltungen löst, sondern auch die Begrenzung der Anzahl der programmierbaren Gate-Schaltungen im ursprünglichen programmierbaren Gerät überwindet. Es hat die Eigenschaften der Flexibilität und Rekonfigurierbarkeit und ist weit verbreitet in Bereichen wie Kommunikation, digitale Signalverarbeitung und eingebettete Systeme. Es ist ein programmierbares Logikgerät, das aus programmierbaren Logikeinheiten und programmierbaren Verbindungsressourcen besteht.

Ein Mikrocontroller ist ein integrierter Schaltungschip, der ultragroße integrierte Schaltungstechnologie verwendet, um Datenverarbeitungsfunktionen wie die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), den Zufallsspeicher (RAM), den schreibgeschützten Speicher (ROM), verschiedene I/O-Ports und Interruptsysteme zu integrieren. Ein kleines und umfassendes Mikrocomputersystem, das aus Funktionen wie Timern/Zählern (die auch Anzeigeantriebsschaltkreise, Pulsweitenmodulationsschaltungen, analoge Multiplexer, A/D-Wandler usw.) besteht, die auf einem einzigen Siliziumchip integriert sind, der im Bereich der industriellen Steuerung weit verbreitet ist.

Der Unterschied zwischen FPGA und Mikrocontroller (Mikrocontroller vs fpga)

1) Leistung

Beim Vergleich der Leistung von FPGA und Mikrocontrollern,ist es notwendig, die Art der Aufgaben zu berücksichtigen, die sie ausführen sollen.FPGA zeichnet sich bei parallelen Verarbeitungsaufgaben aus, während Mikrocontroller für sequenzielle Verarbeitung optimiert sind.

FPGA kann mehrere Operationen gleichzeitig ausführen. Diese Parallelität ermöglicht FPGA, hohe Leistung in Anwendungen zu erzielen, die gleichzeitige Verarbeitung erfordern, wie digitale Signalverarbeitung, Bildverarbeitung und Kryptographie. Zum Beispiel kann FPGA mehrere Datenströme parallel verarbeiten, was die Echtzeitverarbeitung von Signalen mit hoher Bandbreite oder hochauflösenden Bildern ermöglicht.

Mikrocontroller sind für sequentielle Verarbeitungsaufgaben ausgelegt. Ihre Leistung wird durch Faktoren wie CPU-Taktgeschwindigkeit, Architektur und Befehlssatz bestimmt.

2) Energieverbrauch

Der Stromverbrauch ist ein Schlüsselfaktor, der beim Vergleich von FPGA und Mikrocontrollern zu berücksichtigen ist, da er die Gesamteffizienz, Batterielebensdauer und das thermische Management des Systems beeinflusst.

FPGAs verbrauchen in der Regel mehr Strom als Mikrocontroller. Der Stromverbrauch eines FPGA hängt von Faktoren wie der Anzahl der aktiven Logikkomponenten, der Schaltfrequenz der Verbindungen und der I/O-Aktivität ab. In Anwendungen, die eine hochleistungsfähige parallele Verarbeitung erfordern, können die Leistungsvorteile von FPGA seinen Stromverbrauch erhöhen.

Mikrocontroller verbrauchen in der Regel weniger Strom als FPGAs. Ihr Stromverbrauch hängt hauptsächlich von Faktoren wie CPU-Taktgeschwindigkeit, periphere Aktivität und Energiemanagement-Funktionen ab, die im Gerät implementiert sind. Viele Mikrocontroller verfügen über fortschrittliche Leistungsverwaltungsfunktionen wie Schlafmodus und dynamische Spannungsregelung, die den Stromverbrauch während niedriger Aktivitätsperioden weiter reduzieren können.

3) Flexibilität und Anpassung

FPGA hat eine hohe Flexibilität und Anpassungsfähigkeit aufgrund seiner programmierbaren Architektur, so dass Designer maßgeschneiderte digitale Schaltungen basierend auf ihren spezifischen Anforderungen erstellen können. Die Logikblöcke, Interconnects und I/O-Blöcke innerhalb von FPGA können konfiguriert werden, um verschiedene digitale Funktionen zu implementieren, von einfachen Logikgottern bis hin zu komplexen digitalen Signalverarbeitungsalgorithmen.

4) Entwicklungszeit und Komplexität

Die FPGA-Entwicklung ist komplexer und zeitaufwändiger. Der Entwicklungsprozess von FPGA beinhaltet typischerweise das Schreiben von Code mithilfe der Hardware Description Language (HDL), wie VHDL oder Verilog.

Es gibt eine große Auswahl an Mikrocontrollern, die jeweils für einen bestimmten Zweck optimiert sind und Unternehmen dabei helfen können, Kosten zu senken. Wenn Sie beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler (ADC), zwei USB-Ports und mindestens 30 universelle Ein-/Ausgänge (GPIO) Pins benötigen, können Sie einen Mikrocontroller wählen, der genau diesen Anforderungen entspricht. Wenn nur eine USB-Schnittstelle benötigt wird, kann ein anderer Mikrocontroller verfügbar sein, der diese Spezifikation erfüllt. Diese Vielseitigkeit ermöglicht es Unternehmen, Geld zu sparen, indem sie den kostengünstigsten Mikrocontroller wählen, ohne für unnötige Funktionen zu bezahlen.

Im Gegensatz dazu sind FPGAs viel vielseitiger. Mit einem einzigen FPGA können fünf ADC-Schnittstellen ohne USB-Schnittstelle oder drei USB-Schnittstellen ohne ADC-Schnittstelle konfiguriert werden. FPGAs sind wie ein leeres Blatt Papier mit zahlreichen internen Linien (d.h. Routen), um eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsanforderungen zu unterstützen, aber dies erhöht auch Kosten und Komplexität. In den meisten Fällen müssen Unternehmen nicht für ungenutzte Zusatzfunktionen und Flexibilität bezahlen.

Das Volumen ist auch ein Schlüsselfaktor für die Kosten. Die Kosten für den Kauf von 10-Millionen Mikrocontrollern sind viel niedriger als die Kosten für den Kauf von 100.000 FPGAs, ein häufiges Phänomen in der Unterhaltungselektronik. FPGAs werden oft in kleineren Mengen produziert und verkauft, so dass ihr Stückpreis höher ist. Dies stellt einen Zyklus dar: Steigt die Zahl der FPGAs, so kann der Preis sinken, aber die Zunahme der Menge erfordert, dass der Preis sinkt. Wenn die Kosten für FPGAs mit denen für Mikrocontroller vergleichbar wären, würden dann mehr FPGAs verwendet werden? Möglicherweise, aber FPGAs sind viel schwieriger zu verwenden, was der Popularität von FPGAs nicht förderlich ist.

Da Mikrocontroller für einen bestimmten Zweck konzipiert sind, sind sie relativ einfach einzurichten und können in der Regel innerhalb von Stunden konfiguriert und betrieben werden. FPGAs hingegen erfordern die Programmierung aller internen Komponenten, was sehr zeitaufwendig ist. Während es einige handelsübliche Hard IP Module gibt, sind die meisten Geräte programmierbar, d.h. sie müssen intern entworfen werden. Das Schreiben von Code in Verilog oder VHDL ist zeitaufwändiger als in C, was oft die Sprache der Wahl für das Schreiben von Mikrocontroller-Programmen ist, da es erlaubt, Code auf einer höheren Ebene zu schreiben, wo eine Codezeile mehr Funktionalität erreichen kann. Im Gegensatz dazu erfordert die Low-Level-Programmierung mit Verilog und VHDL die manuelle Erstellung separater Gate-Schaltungen und Verkabelungen, was Komplexität und Kosten erhöht. Ingenieure tendieren oft dazu, die einfachste Lösung zu wählen, und in den meisten Fällen sind Mikrocontroller einfacher als FPGAs.

Darüber hinaus ist der Stromverbrauch des Geräts ein Faktor, der zu berücksichtigen ist. Viele elektronische Geräte sind auf Batterieleistung angewiesen, daher ist es wichtig, den Energieverbrauch des Geräts für einen längeren Gebrauch zu reduzieren. Je höher der Stromverbrauch, desto häufiger müssen die Batterien ausgetauscht werden, was die Nutzer nicht wollen. Da Mikrocontroller für spezifische Anwendungen ausgelegt sind, können sie optimiert werden, um einen sehr niedrigen Stromverbrauch zu erzielen. Beispielsweise kann eine einzelne AAA-Batterie eine Bluetooth-Maus monatelang mit Strom versorgen. FPGAs hingegen müssen zwischen allen Ressourcen routen und ihr Stromverbrauch kann dem von Mikrocontrollern nicht entsprechen. Dies bedeutet nicht, dass FPGAs nicht in batteriebetriebenen Anwendungen eingesetzt werden können, aber Mikrocontroller haben typischerweise den Vorteil, wenn es um den Stromverbrauch geht.

Mikrocontroller haben typischerweise einen einfacheren und schnelleren Entwicklungsprozess, da sie mit fortschrittlichen Programmiersprachen und Entwicklungsumgebungen programmiert werden können, mit denen Softwareentwickler vertraut sind. Die Verwendung von Sprachen, Bibliotheken und Frameworks auf hohem Niveau kann den Entwicklungsprozess vereinfachen und den Zeitaufwand für die Implementierung und Prüfung der erforderlichen Funktionalität reduzieren.

FPGA ist eine sehr vielseitige integrierte Schaltung, die es Benutzern ermöglicht, benutzerdefinierte digitale Schaltungen durch Programmierung auf Hardware-Ebene zu erstellen. Sie bieten enorme Flexibilität und sind perfekt für komplexe Anwendungen, die schnelles Prototyping und Rekonfigurierbarkeit erfordern. Auf der anderen Seite sind Mikrocontroller kompakte integrierte Schaltungen, die den Prozessorkern, Speicher und verschiedene Peripheriegeräte in einem einzigen Chip kombinieren. Sie sind speziell für spezifische Aufgaben konzipiert und bieten kostengünstige Lösungen für einfache bis mittelkomplexe Anwendungen.