PCBブログ - FPGAとマイクロコントローラ

FPGAは主にデジタル回路からなる集積チップであり、プログラマブル論理デバイス（PLD）の一種である。FPGAは、カスタム回路の欠点を解決するだけでなく、オリジナルのプログラマブルデバイスにおけるプログラマブルゲート回路の数の制限を克服する専用集積回路（ASIC）分野のセミカスタム回路として登場する。柔軟性と再構成性の特徴があり、通信、デジタル信号処理、組み込みシステムなどの分野に広く応用されている。プログラマブル論理ユニットとプログラマブル相互接続リソースからなるプログラマブル論理デバイスです。

マイクロコントローラは、中央処理ユニット（CPU）、ランダムアクセスメモリ（RAM）、読み取り専用メモリ（ROM）、各種I／Oポート、割り込みシステムなどのデータ処理能力を1つのシリコンチップに集積した超大規模集積回路技術を用いた集積回路チップであり、タイマー／カウンタ（表示駆動回路、パルス幅変調回路、アナログマルチプレクサ、A／D変換器なども含む可能性がある）などの機能からなる小型総合マイクロコンピュータシステムは、工業制御分野に広く応用されている。

FPGAとマイクロコントローラの違い（マイクロコントローラvs FPGA）

1）性能表現

FPGAとマイクロコントローラの性能を比較する際には、実行するために設計されたタスクの性質を考慮する必要があります。FPGAはタスクを並列処理するのが得意で、マイクロコントローラはシーケンス処理に最適化されています。

FPGAは、複数の動作を同時に実行することができる。この並列性により、FPGAはデジタル信号処理、画像処理、暗号化などの同時処理を必要とするアプリケーションで高性能を実現することができる。例えば、FPGAは、複数のデータストリームを並列処理し、高帯域幅信号または高解像度画像のリアルタイム処理を実現することができる。

マイクロコントローラは、タスクを順番に処理するために設計されています。これらのパフォーマンスは、CPUクロック速度、アーキテクチャ、命令セットなどの要素に依存します。

2）エネルギー消費

消費電力はFPGAとマイクロコントローラを比較する際に考慮すべき重要な要素であり、システムの全体的な効率、バッテリ寿命、熱管理に影響を与えるためです。

FPGAは通常、マイクロコントローラよりも多くの電力を消費する。FPGAの消費電力は、アクティブな論理コンポーネントの数、相互接続のスイッチング周波数、I/Oアクティビティなどの要素に依存します。高性能並列処理が必要なアプリケーションでは、FPGAが提供するパフォーマンス上の利点により、消費電力が増加する可能性があります。

マイクロコントローラは通常、FPGAよりも消費電力が少ない。これらの消費電力は、主にCPUクロック速度、周辺デバイスの動作、デバイスに実装されている電源管理機能などに依存します。多くのマイクロコントローラには、スリープモードや動的電圧調整などの先進的な電源管理機能が含まれており、低アクティブ期間の消費電力をさらに削減することができます。

3）柔軟性とカスタマイズ

FPGAは、プログラム可能なアーキテクチャによって高度な柔軟性とカスタマイズ性を備えており、設計者が特定の要件に応じてカスタマイズされたデジタル回路を作成することができます。FPGA内の論理ブロック、相互接続、I/Oブロックは、簡単な論理ゲートから複雑なデジタル信号処理アルゴリズムまで、様々なデジタル機能を実現するように構成することができる。

4）開発時間と複雑性

FPGA開発はより複雑で時間がかかる。FPGAの開発プロセスは、通常、VHDLやVerilogなどのハードウェア記述言語（HDL）を使用したコードの記述に関連する。

さまざまなマイクロコントローラがあり、それぞれ特定の目的に最適化されており、企業のコスト削減に役立ちます。例えば、アナログデジタル変換器（ADC）、2つのUSBポート、少なくとも30の汎用入出力（GPIO）ピンが必要な場合、これらのニーズを完全に満たすマイクロコントローラを選択することができます。1つのUSBインタフェースだけが必要な場合は、この仕様に準拠した別のマイクロコントローラを使用することができます。この多機能性により、組織はコストの最も低いマイクロコントローラを選択することで、不要な機能に費用を払う必要なくコストを節約することができます。

それに比べて、FPGAの汎用性はずっと高い。単一のFPGAを使用すると、USBインタフェースを持たない5つのADCインタフェース、またはADCインタフェースを持たない3つのUSBインタフェースを配置することができます。FPGAは白紙のように、さまざまなアプリケーションニーズをサポートするために多くの内部ライン（つまりルート）を持っていますが、これによりコストと複雑さが増します。ほとんどの場合、組織は未使用の追加機能や柔軟性に費用を払う必要はありません。

数量もコストの重要な要素です。1000万個のマイクロコントローラを購入するコストは、10万個のFPGAを購入するコストよりもはるかに低い。これは消費電子製品によく見られる現象である。FPGAの生産・販売台数は通常小さいため、単価が高い。これは、FPGAの数が増えると価格が下がる可能性がありますが、数が増えると価格が下がる必要があります。では、FPGAのコストがマイクロコントローラのコストに匹敵する場合、より多くのFPGAが使用されるのでしょうか。可能性はありますが、FPGAの使用ははるかに難しく、FPGAの普及には不利です。

マイクロコントローラは特定の目的のために設計されているため、設定が比較的容易で、通常は数時間以内に構成して実行することができます。一方、FPGAは、そのすべての内部コンポーネントをプログラムする必要があり、非常に時間がかかります。いくつかの既製のハードIPモジュールが使用可能ですが、ほとんどのデバイスはプログラミング可能な論理であり、つまり内部で設計する必要があります。Cを使用するよりもVerilogまたはVHDLを使用してコードを記述する方が時間がかかります。Cは通常、より高いレベルでコードを記述することができるため、マイクロコントローラプログラムを記述するための優先言語です。コードの行の1つがより多くの機能を実現できるからです。対照的に、VerilogとVHDLを使用した低レベルプログラミングでは、複雑さとコストが増加する独自のゲート回路と配線を手動で作成する必要があります。エンジニアは一般的に最も簡単なソリューションを選択する傾向があり、ほとんどの場合、マイクロコントローラはFPGAよりも簡単です。

また、デバイスの消費電力も考慮すべき要素です。多くの電子機器はバッテリの電力供給に依存しているため、デバイスの消費電力を低減して使用時間を延長することが重要です。消費電力が高いほど、バッテリを交換する頻度が高くなります。これはユーザーが望んでいないことです。マイクロコントローラは特定の用途のために設計されているため、非常に低い消費電力を実現するために最適化することができます。例えば、AAAバッテリ1本でBluetoothマウスに数ヶ月間電力を供給することができます。一方、FPGAはすべてのリソース間をルーティングする必要があり、その消費電力はマイクロコントローラと一致しない。これは、FPGAがバッテリの電力供給に使用できないことを意味するわけではありませんが、マイクロコントローラは電力消費の面で一般的に優位に立っています。

マイクロコントローラは通常、ソフトウェア開発者がより熟知している高度なプログラミング言語と開発環境を使用してプログラミングできるため、より簡単で迅速な開発プロセスを持っています。高度な言語、ライブラリ、フレームワークを使用することで、開発プロセスをシンプル化し、必要な機能の実装とテストに要する時間を短縮できます。

FPGAは、ハードウェアレベルでプログラムすることでユーザーがカスタムデジタル回路を作成できるようにする、非常に汎用的な集積回路です。迅速なプロトタイプと再現性を必要とする複雑なアプリケーションに最適な柔軟性を提供します。一方、マイクロコントローラは、プロセッサコア、メモリ、および様々な周辺デバイスを単一チップに組み込んだコンパクトな集積回路である。これらは特定のタスクに特化して設計されており、シンプルなアプリケーションから中程度の複雑なアプリケーションに対してコスト効率の高いソリューションを提供しています。