Dati PCB - FPGA vs microcontrollore

FPGA è un chip integrato composto principalmente da circuiti digitali, appartenenti ad un tipo di Dispositivo Logico Programmable (PLD); FPGA è emerso come un circuito semi-personalizzato nel campo dei circuiti integrati specializzati (ASIC), che non solo risolve le carenze dei circuiti personalizzati ma supera anche la limitazione del numero di circuiti gate programmabili nel dispositivo programmabile originale. Ha le caratteristiche di flessibilità e riconfigurabilità ed è ampiamente usato in campi quali la comunicazione, l'elaborazione del segnale digitale e i sistemi incorporati. È un dispositivo logico programmabile composto da unità logiche programmabili e risorse di interconnessione programmabili.

Un microcontrollore è un chip a circuito integrato che utilizza la tecnologia a circuito integrato ultra-grande scala per integrare capacità di elaborazione dati come l'unità di elaborazione centrale (CPU), memoria ad accesso casuale (RAM), memoria di sola lettura (ROM), varie porte I/O e sistemi di interruzione Un piccolo e completo sistema di microcomputer composto da funzioni come timer / contatori (che possono anche includere circuiti di azionamento display, circuiti di modulazione della larghezza di impulso, multiplexer analogici, convertitori A/D, ecc.) integrato in un singolo chip al silicio, ampiamente utilizzato nel campo del controllo industriale.

La differenza tra FPGA e microcontroller (microcontroller vs fpga)

1) Prestazioni

Quando si confrontano le prestazioni di FPGA e microcontrollori,è necessario considerare la natura dei compiti che sono progettati per eseguire.FPGA eccelle nelle attività di elaborazione parallela, mentre i microcontrollori sono ottimizzati per l'elaborazione sequenziale.

FPGA può eseguire più operazioni contemporaneamente. Questo parallelismo consente a FPGA di ottenere prestazioni elevate in applicazioni che richiedono l'elaborazione simultanea, come l'elaborazione del segnale digitale, l'elaborazione delle immagini e la crittografia. Ad esempio, FPGA può elaborare più flussi di dati in parallelo, consentendo l'elaborazione in tempo reale di segnali ad alta larghezza di banda o immagini ad alta risoluzione.

I microcontrollori sono progettati per attività di elaborazione sequenziale. Le loro prestazioni sono determinate da fattori quali la velocità di clock della CPU, l'architettura e il set di istruzioni.

2) Consumo energetico

Il consumo energetico è un fattore chiave da considerare quando si confrontano FPGA e microcontrollori, in quanto influisce sull'efficienza complessiva, la durata della batteria e la gestione termica del sistema.

Gli FPGA tipicamente consumano più energia rispetto ai microcontrollori. Il consumo energetico di un FPGA dipende da fattori quali il numero di componenti logici attivi, la frequenza di commutazione delle interconnessioni e l'attività I/O. Nelle applicazioni che richiedono l'elaborazione parallela ad alte prestazioni, i vantaggi prestazionali forniti da FPGA possono aumentare il suo consumo energetico.

I microcontrollori tipicamente consumano meno energia rispetto agli FPGA. Il loro consumo energetico dipende principalmente da fattori quali la velocità di clock della CPU, l'attività periferica e le funzioni di gestione dell'energia implementate nel dispositivo. Molti microcontrollori includono funzioni avanzate di gestione dell'energia come la modalità di sospensione e la regolazione dinamica della tensione, che possono ulteriormente ridurre il consumo energetico durante i periodi di bassa attività.

3) Flessibilità e Personalizzazione

FPGA ha un'elevata flessibilità e personalizzazione grazie alla sua architettura programmabile, consentendo ai progettisti di creare circuiti digitali personalizzati in base alle loro specifiche esigenze. I blocchi logici, le interconnessioni e i blocchi I/O all'interno di FPGA possono essere configurati per implementare varie funzioni digitali, da semplici gate logici a complessi algoritmi di elaborazione del segnale digitale.

4) Tempi di sviluppo e complessità

Lo sviluppo di FPGA è più complesso e richiede tempo. Il processo di sviluppo di FPGA in genere prevede la scrittura di codice utilizzando Hardware Description Language (HDL), come VHDL o Verilog.

Esiste una vasta gamma di microcontrollori, ognuno ottimizzato per uno scopo specifico, che possono aiutare le aziende a ridurre i costi. Ad esempio, se avete bisogno di un convertitore analogico-digitale (ADC), due porte USB e almeno 30 pin di ingresso/uscita generale (GPIO), potete scegliere un microcontrollore che soddisfi perfettamente queste esigenze. Se è richiesta una sola interfaccia USB, potrebbe essere disponibile un altro microcontrollore che soddisfi tale specifica. Questa versatilità consente alle organizzazioni di risparmiare denaro scegliendo il microcontrollore a basso costo senza pagare per funzionalità inutili.

Al contrario, gli FPGA sono molto più versatili. Con un singolo FPGA è possibile configurare cinque interfacce ADC senza interfaccia USB o tre interfacce USB senza interfaccia ADC. Gli FPGA sono come un foglio bianco con numerose linee interne (cioè percorsi) per supportare una vasta gamma di requisiti applicativi diversi, ma questo aggiunge anche costi e complessità. Nella maggior parte dei casi, le organizzazioni non devono pagare per funzionalità aggiuntive e flessibilità inutilizzate.

Il volume è anche un fattore chiave di costo. Il costo di acquisto di 10 milioni di microcontrollori è molto inferiore al costo di acquisto di 100.000 FPGA, un fenomeno comune nell'elettronica di consumo. Gli FPGA sono spesso prodotti e venduti in quantità minori, quindi il loro prezzo unitario è più alto. Questo costituisce un ciclo: se il numero di FPGA aumenta, il prezzo può scendere, ma l'aumento della quantità richiede che il prezzo scenda. Quindi, se il costo degli FPGA fosse paragonabile a quello dei microcontrollori, si utilizzerebbero più FPGA? Forse, ma gli FPGA sono molto più difficili da usare, il che non favorisce la popolarità degli FPGA.

Poiché i microcontrollori sono progettati per uno scopo specifico, sono relativamente facili da configurare e di solito possono essere configurati e funzionanti in poche ore. Gli FPGA, d'altra parte, richiedono la programmazione di tutti i loro componenti interni, il che richiede molto tempo. Mentre ci sono alcuni moduli IP hard-the-shelf disponibili, la maggior parte dei dispositivi sono logici programmabili, cioè devono essere progettati internamente. Scrivere codice in Verilog o VHDL richiede più tempo che in C, che è spesso il linguaggio preferito per la scrittura di programmi microcontroller perché permette di scrivere codice ad un livello superiore, dove una riga di codice può ottenere più funzionalità. Al contrario, la programmazione a basso livello con Verilog e VHDL richiede la creazione manuale di circuiti di gate separati e cablaggio, che aggiungono complessità e costi. Gli ingegneri tendono spesso a scegliere la soluzione più semplice e nella maggior parte dei casi, i microcontroller sono più semplici degli FPGA.

Inoltre, il consumo energetico del dispositivo è un fattore da considerare. Molti dispositivi elettronici si basano sull'alimentazione della batteria, quindi è fondamentale ridurre il consumo energetico del dispositivo per un uso più lungo. Più alto è il consumo energetico, più spesso le batterie devono essere sostituite, cosa che gli utenti non vogliono. Poiché i microcontrollori sono progettati per usi specifici, possono essere ottimizzati per ottenere un consumo energetico molto basso. Ad esempio, una singola batteria AAA può alimentare un mouse Bluetooth per mesi. Gli FPGA, d'altra parte, devono orientarsi tra tutte le risorse e il loro consumo energetico non può eguagliare quello dei microcontrollori. Questo non significa che gli FPGA non possano essere utilizzati in applicazioni alimentate a batteria, ma i microcontrollori in genere hanno il vantaggio quando si tratta di consumo energetico.

I microcontrollori in genere hanno un processo di sviluppo più semplice e veloce perché possono essere programmati utilizzando linguaggi di programmazione avanzati e ambienti di sviluppo che gli sviluppatori di software conoscono meglio. L'utilizzo di linguaggi, librerie e framework di alto livello può semplificare il processo di sviluppo e ridurre il tempo necessario per implementare e testare le funzionalità richieste.

FPGA è un circuito integrato altamente versatile che consente agli utenti di creare circuiti digitali personalizzati programmando a livello hardware. Offrono un'enorme flessibilità e sono perfetti per applicazioni complesse che richiedono prototipazione rapida e riconfigurabilità. D'altra parte, i microcontrollori sono circuiti integrati compatti che combinano il nucleo del processore, la memoria e vari dispositivi periferici in un singolo chip. Sono progettati specificamente per attività specifiche e forniscono soluzioni convenienti per applicazioni semplici o moderatamente complesse.