Blog de PCB - FPGAs y Microcontroladores

FPGAs es un chip integrado compuesto principalmente por circuitos digitales, que pertenece a uno de los dispositivos lógicos programables (pld); La aparición de FPGAs como un circuito semipersonalizado en el campo de los circuitos integrados especiales (asic) no solo resuelve las deficiencias de los circuitos personalizados, sino que también supera la limitación del número de circuitos de puerta programables en los programables originales. Tiene las características de flexibilidad y reconfiguración, y es ampliamente utilizado en comunicaciones, procesamiento de señales digitales y sistemas integrados. Es un dispositivo lógico programable compuesto por unidades lógicas programables y recursos de interconexión programables.

El Microcontrolador es un chip de circuito integrado que utiliza la tecnología de circuitos integrados a gran escala para integrar capacidades de procesamiento de datos como unidades centrales de procesamiento (cpu), memorias de acceso aleatorio (ram), memorias de solo lectura (rom), diversos puertos de E / S y sistemas de interrupción en un solo chip de silicio, un pequeño sistema de microcomputadoras integrales compuesto por temporizadores / contadores (que también pueden incluir circuitos de accionamiento de pantalla, circuitos de modulación de ancho de pulso, multiplexadores analógicos, convertidores A / d, etc.) y ampliamente utilizado en el campo del control industrial.

La diferencia entre FPGAs y microcontroladores (microcontroladores vs fpgas)

1) rendimiento

Al comparar el rendimiento de las FPGAs y los microcontroladores, es necesario tener en cuenta la naturaleza de las tareas que están diseñadas para realizar. las FPGAs son buenas en el procesamiento paralelo de las tareas, mientras que los microcontroladores están optimizados para el procesamiento secuencial.

La FPGA puede realizar múltiples operaciones al mismo tiempo. Este paralelismo permite a FPGAs lograr un alto rendimiento en aplicaciones que requieren procesamiento simultáneo, como procesamiento de señales digitales, procesamiento de imágenes y criptografía. Por ejemplo, la FPGA puede procesar múltiples flujos de datos en paralelo para realizar el procesamiento en tiempo real de señales de alto ancho de banda o imágenes de alta resolución.

El Microcontrolador está diseñado específicamente para tareas de procesamiento secuencial. Su rendimiento depende de factores como la velocidad del reloj de la cpu, la arquitectura y el conjunto de instrucciones.

2) consumo de energía

El consumo de energía es un factor clave a tener en cuenta al comparar FPGAs y microcontroladores, ya que afecta la eficiencia general del sistema, la vida útil de la batería y la gestión térmica.

La FPGAs suele consumir más potencia que el microcontrolador. El consumo de energía de la FPGAs depende del número de componentes lógicos activos, la frecuencia de conmutación interconectada y la actividad de E / S. En aplicaciones que requieren procesamiento paralelo de alto rendimiento, las ventajas de rendimiento proporcionadas por FPGAs pueden aumentar su consumo de energía.

Los microcontroladores suelen consumir menos potencia que las fpgas. Su consumo de energía depende principalmente de factores como la velocidad del reloj de la cpu, la actividad del dispositivo periférico y las funciones de gestión de energía implementadas en el dispositivo. Muchos microcontroladores incluyen funciones avanzadas de gestión de energía, como el modo de sueño y la regulación dinámica de voltaje, lo que puede reducir aún más el consumo de energía durante los períodos de baja actividad.

3) flexibilidad y personalización

La FPGAs tiene un alto grado de flexibilidad y personalización debido a su arquitectura programable, permitiendo a los diseñadores crear circuitos digitales personalizados de acuerdo con sus requisitos específicos. Los bloques lógicos, las interconexiones y los bloques de E / s dentro de la FPGAs se pueden configurar para realizar diversas funciones digitales, desde Puertas lógicas simples hasta algoritmos complejos de procesamiento de señales digitales.

4) tiempo de desarrollo y complejidad

El desarrollo de FPGAs es más complejo y largo. El proceso de desarrollo de FPGAs suele implicar el uso de lenguajes de descripción de hardware (hdl) (como VHDL o verilog) para escribir Código.

Hay una variedad de microcontroladores, cada uno optimizado para un propósito específico, que pueden ayudar a las empresas a reducir costos. Por ejemplo, si necesita un convertidor analógico - digital (adc), dos puertos USB y al menos 30 pines de entrada / salida universal (gpio), puede elegir un Microcontrolador que satisfaga completamente estas necesidades. Si solo se necesita una interfaz usb, se puede usar otro Microcontrolador que cumpla con esta especificación. Esta versatilidad permite a las organizaciones ahorrar dinero eligiendo el Microcontrolador de menor costo sin tener que pagar por funciones innecesarias.

Por el contrario, la versatilidad de FPGAs es mucho mayor. Con un solo fpgas, se pueden configurar cinco interfaces ADC sin interfaz USB o tres interfaces USB sin interfaz adc. La FPGAs es como una hoja de papel blanco, con muchas líneas internas (es decir, rutas) para soportar una variedad de necesidades de aplicación diferentes, pero esto también aumenta los costos y la complejidad. En la mayoría de los casos, las organizaciones no tienen que pagar por funciones adicionales y flexibilidad no utilizadas.

La cantidad también es un factor clave en el costo. El costo de comprar 10 millones de microcontroladores es mucho menor que el costo de comprar 100.000 fpgas, que es un fenómeno común en la electrónica de consumo. La cantidad de producción y venta de FPGAs suele ser pequeña, por lo que su precio unitario es más alto. Esto constituye un ciclo: si aumenta el número de fpgas, el precio puede bajar, pero el aumento del número requiere que el precio baje. ¿Entonces, ¿ se usarán más FPGAs si el costo de la FPGAs es comparable al costo del microcontrolador? Es posible, pero el uso de FPGAs es mucho más difícil, lo que no favorece la popularización de fpgas.

Debido a que los microcontroladores están diseñados para fines específicos, son relativamente fáciles de configurar y generalmente se pueden configurar y ejecutar en cuestión de horas. Por otro lado, la FPGA necesita programar todos sus componentes internos, lo que lleva mucho tiempo. Aunque hay algunos módulos IP duros listos para usar, la mayoría de los dispositivos son lógicos programables, es decir, necesitan ser diseñados internamente. Escribir código con verilog o VHDL lleva más tiempo que con c, que suele ser el lenguaje preferido para escribir programas de microcontroladores, ya que permite escribir código a un nivel superior, una de las líneas de Código permite más funciones. Por el contrario, la programación de bajo nivel con verilog y VHDL requiere la creación manual de circuitos de puerta separados y cableado, lo que aumenta la complejidad y el costo. Los ingenieros suelen preferir elegir la solución más sencilla y, en la mayoría de los casos, los microcontroladores son más sencillos que las fpgas.

Además, el consumo de energía del dispositivo también es un factor a tener en cuenta. Muchos dispositivos electrónicos dependen del suministro de energía de la batería, por lo que es esencial reducir el consumo de energía del dispositivo para prolongar el tiempo de uso. Cuanto mayor sea el consumo de energía, mayor será la frecuencia de reemplazo de la batería, que es lo que el usuario no quiere. Debido a que el Microcontrolador está diseñado para un uso específico, se puede optimizar para lograr un consumo de energía muy bajo. Por ejemplo, una batería AAA puede alimentar el ratón Bluetooth durante meses. Por otro lado, la FPGAs necesita ser enrutada entre todos los recursos, y su consumo de energía no puede coincidir con el microcontrolador. Esto no significa que la FPGAs no se pueda utilizar en aplicaciones alimentadas por baterías, pero los microcontroladores suelen tener ventajas en términos de consumo de energía.

Los microcontroladores suelen tener procesos de desarrollo más simples y rápidos, ya que pueden programarse con lenguajes de programación de alto nivel y entornos de desarrollo con los que los desarrolladores de software están más familiarizados. El uso de lenguajes, bibliotecas y marcos de alto nivel puede simplificar el proceso de desarrollo y reducir el tiempo necesario para implementar y probar las funciones necesarias.

FPGAs es un circuito integrado altamente universal que permite a los usuarios crear circuitos digitales personalizados programando a nivel de hardware. Proporcionan una gran flexibilidad y son muy adecuados para aplicaciones complejas que requieren prototipos rápidos y reconfigurabilidad. Por otro lado, el Microcontrolador es un circuito integrado compacto que combina el núcleo del procesador, la memoria y varios dispositivos periféricos en un solo chip. Están diseñados para tareas específicas y ofrecen soluciones económicas para aplicaciones simples a moderadamente complejas.