PCB Блог - FPGA и микроконтроллер

FPGA - это интегральный чип, состоящий в основном из цифровых схем и относящийся к программируемому логическому устройству (PLD); Появление FPGA как полунастраиваемой схемы в области специализированных интегральных схем (ASIC) не только устраняет недостатки настраиваемых схем, но и преодолевает ограничения на количество программируемых дверных схем в оригинальных программируемых элементах. Он обладает гибкостью и реконструируемостью и широко используется в таких областях, как связь, цифровая обработка сигналов и встроенные системы. Это программируемое логическое устройство, состоящее из программируемых логических элементов и программируемых взаимосвязанных ресурсов.

Микроконтроллер - это чип интегральных схем, который использует технологию сверхбольших интегральных схем для интеграции возможностей обработки данных, таких как центральный процессор (CPU), память с случайным доступом (RAM), память только для чтения (ROM), различные порты ввода / вывода и системы прерывания, в кремниевый чип, небольшие интегрированные микрокомпьютерные системы, состоящие из таких функций, как таймеры / счетчики (также могут включать в себя схемы привода дисплея, схемы с модуляцией ширины импульса, аналоговые мультиплексы, преобразователи A / D и т.д.), которые широко используются в области промышленного управления.

Различия между FPGA и микроконтроллером (микроконтроллер против FPGA)

1) Проявление производительности

При сравнении производительности FPGA и микроконтроллеров необходимо учитывать характер задач, которые они предназначены для выполнения. FPGA хорошо справляется с параллельной обработкой задач, в то время как микроконтроллеры оптимизированы для последовательной обработки.

FPGA может выполнять несколько операций одновременно. Эта параллелизм позволяет FPGA достигать высокой производительности в приложениях, требующих параллельной обработки, таких как цифровая обработка сигналов, обработка изображений и криптография. Например, FPGA может одновременно обрабатывать несколько потоков данных, обеспечивая обработку сигналов высокой пропускной способности или изображений с высоким разрешением в режиме реального времени.

Микроконтроллеры предназначены для последовательной обработки задач. Их производительность зависит от таких факторов, как скорость часов CPU, архитектура и набор команд.

2) Потребление энергии

Потребление энергии является ключевым фактором, который необходимо учитывать при сравнении FPGA и микроконтроллеров, поскольку это влияет на общую эффективность системы, срок службы батареи и тепловое управление.

Обычно FPGA потребляет больше энергии, чем микроконтроллер. Потребление энергии FPGA зависит от таких факторов, как количество активных логических компонентов, частота переключателей и активность ввода / вывода. В приложениях, требующих высокопроизводительной параллельной обработки, преимущества производительности, предоставляемые FPGA, могут увеличить энергопотребление.

Микроконтроллеры обычно потребляют меньше энергии, чем FPGA. Их энергопотребление в основном зависит от таких факторов, как тактовая скорость процессора, активность периферийных устройств и функции управления питанием, реализованные в устройстве. Многие микроконтроллеры включают в себя передовые функции управления питанием, такие как режим сна и динамическое регулирование напряжения, что может еще больше снизить энергопотребление в периоды низкой активности.

3) Гибкость и настройка

Благодаря своей программируемой архитектуре FPGA обладает высокой степенью гибкости и настраиваемости, позволяя дизайнерам создавать индивидуальные цифровые схемы в соответствии с их конкретными требованиями. Логические блоки, интерконнекты и блоки ввода / вывода в FPGA могут быть настроены для реализации различных цифровых функций, от простых логических дверей до сложных алгоритмов обработки цифровых сигналов.

4) Время разработки и сложность

Разработка FPGA является более сложной и трудоемкой. Процесс разработки FPGA обычно включает в себя написание кода с использованием языка описания оборудования (HDL), такого как VHDL или Verilog.

Существует широкий спектр микроконтроллеров, каждый из которых оптимизирован для конкретной цели и может помочь компании снизить расходы. Например, если вам нужен модульный преобразователь (ADC), два порта USB и не менее 30 универсальных выводов ввода / вывода (GPIO), вы можете выбрать микроконтроллер, который полностью отвечает этим требованиям. Если требуется только один USB - интерфейс, можно использовать другой микроконтроллер, соответствующий этой спецификации. Эта многофункциональность позволяет организациям экономить деньги, выбирая микроконтроллеры с наименьшими затратами, не платя за ненужные функции.

Для сравнения, FPGA гораздо более универсален. С помощью одного FPGA можно настроить пять ADC - интерфейсов без USB - интерфейса или три USB - интерфейса без ADC - интерфейса. FPGA похожа на лист белой бумаги с множеством внутренних линий (т. е. маршрутов) для поддержки различных потребностей приложений, но это также увеличивает затраты и сложность. В большинстве случаев организации не должны платить за неиспользованные дополнительные функции и гибкость.

Количество также является ключевым фактором затрат. Стоимость покупки 10 миллионов микроконтроллеров намного ниже, чем покупка 100 000 FPGA, что является обычным явлением в потребительской электронике. Объем производства и продаж FPGA, как правило, невелик, поэтому его цена за единицу выше. Это составляет цикл: если количество FPGA увеличивается, цена может снизиться, но увеличение количества требует, чтобы цена упала. Если стоимость FPGA сопоставима с стоимостью микроконтроллера, будет ли использоваться больше FPGA? Возможно, но использование FPGA намного сложнее, что не способствует популяризации FPGA.

Поскольку микроконтроллеры предназначены для конкретных целей, их относительно легко настроить и обычно можно настроить за несколько часов. С другой стороны, FPGA требует программирования всех своих внутренних компонентов, что занимает много времени. В то время как есть несколько готовых жестких IP - модулей, большинство устройств являются программируемой логикой, то есть они должны быть спроектированы изнутри. Написание кода с Verilog или VHDL занимает больше времени, чем с C, который обычно является предпочтительным языком для написания микроконтроллеров, поскольку позволяет писать код на более высоком уровне, где одна строка кода может выполнять больше функций. Для сравнения, низкоуровневое программирование с использованием Verilog и VHDL требует ручного создания отдельных дверных цепей и проводок, что увеличивает сложность и стоимость. Инженеры обычно выбирают самые простые решения, и в большинстве случаев микроконтроллеры проще, чем FPGA.

Кроме того, энергопотребление оборудования также является фактором, который необходимо учитывать. Многие электронные устройства полагаются на батареи, поэтому важно снизить энергопотребление устройства, чтобы продлить время работы. Чем выше энергопотребление, тем выше частота замены батареи, чего не хотят пользователи. Поскольку микроконтроллеры предназначены для конкретных целей, их можно оптимизировать для достижения очень низкого энергопотребления. Например, батарея AAA может питать Bluetooth - мышь в течение нескольких месяцев. С другой стороны, FPGA требует маршрутизации между всеми ресурсами, энергопотребление которых не может соответствовать микроконтроллеру. Это не означает, что FPGA не может использоваться в приложениях с батарейным питанием, но микроконтроллеры обычно имеют преимущество с точки зрения энергопотребления.

Микроконтроллеры, как правило, имеют более простой и быстрый процесс разработки, поскольку они могут программировать на более продвинутых языках программирования и в среде разработки, более знакомой разработчикам программного обеспечения. Использование продвинутых языков, библиотек и фреймворков упрощает процесс разработки и сокращает время, необходимое для реализации и тестирования необходимых функций.

FPGA - это высокоуниверсальная интегральная схема, которая позволяет пользователям создавать пользовательские цифровые схемы, программируя их на аппаратном уровне. Они обеспечивают большую гибкость и идеально подходят для сложных приложений, требующих быстрого прототипирования и реконструируемости. С другой стороны, микроконтроллер представляет собой компактную интегральную схему, которая объединяет ядро процессора, память и различные периферийные устройства в один чип. Они предназначены для конкретных задач и предлагают экономичные решения для простых и средне сложных приложений.