PCB部落格 - FPGA與微控制器

FPGA是一種主要由數位電路組成的集成晶片，屬於可程式設計邏輯器件（PLD）的一種； FPGA作為專用集成電路（ASIC）領域的一種半定制電路出現，它不僅解决了定制電路的缺點，而且克服了原始可程式設計器件中可程式設計門電路數量的限制。 它具有靈活性和可重構性的特點，廣泛應用於通信、數位信號處理和嵌入式系統等領域。 它是由可程式設計邏輯單元和可程式設計互連資源組成的可程式設計邏輯器件。

微控制器是一種集成電路晶片，它利用超大規模集成電路科技將中央處理單元（CPU）、隨機存取記憶體（RAM）、只讀存儲器（ROM）、各種I/O埠和中斷系統等資料處理能力集成在一個矽晶片上，由計时器/計數器（也可能包括顯示驅動電路、脈寬調製電路、類比多工器、A/D轉換器等）等功能組成的小型綜合微型電腦系統，廣泛應用於工業控制領域。

FPGA與微控制器的區別（微控制器vs FPGA）

1）效能表現

在比較FPGA和微控制器的效能時，有必要考慮它們被設計用來執行的任務的性質。FPGA擅長並行處理任務，而微控制器則針對順序處理進行了優化。

FPGA可以同時執行多個操作。 這種並行性使FPGA能够在需要併發處理的應用中實現高性能，如數位信號處理、圖像處理和密碼學。 例如，FPGA可以並行處理多個資料流程，實現高頻寬訊號或高解析度影像的實时處理。

微控制器專為順序處理任務而設計。 它們的效能取決於CPU時鐘速度、架構和指令集等因素。

2）能源消耗

功耗是比較FPGA和微控制器時需要考慮的關鍵因素，因為它會影響系統的整體效率、電池壽命和熱管理。

FPGA通常比微控制器消耗更多的功率。 FPGA的功耗取決於活動邏輯組件的數量、互連的開關頻率和I/O活動等因素。 在需要高性能並行處理的應用中，FPGA提供的效能優勢可能會新增其功耗。

微控制器通常比FPGA消耗更少的功率。 它們的功耗主要取決於CPU時鐘速度、周邊設備活動和設備中實現的電源管理功能等因素。 許多微控制器包括先進的電源管理功能，如睡眠模式和動態電壓調節，這可以進一步降低低活動時段的功耗。

3）靈活性和定制

FPGA因其可程式設計架構而具有高度的靈活性和可定制性，允許設計人員根據其特定要求創建定制的數位電路。 FPGA內的邏輯塊、互連和I/O塊可以配寘為實現各種數位功能，從簡單的邏輯門到複雜的數位信號處理算灋。

4）開發時間和複雜性

FPGA開發更加複雜和耗時。 FPGA的開發過程通常涉及使用硬體描述語言（HDL）（如VHDL或Verilog）編寫程式碼。

有各種各樣的微控制器，每種都針對特定目的進行了優化，可以幫助公司降低成本。 例如，如果你需要一個模數轉換器（ADC）、兩個USB埠和至少30個通用輸入/輸出（GPIO）引脚，你可以選擇一個完全滿足這些需求的微控制器。 如果只需要一個USB介面，則可以使用符合該規範的另一個微控制器。 這種多功能性使組織能够通過選擇成本最低的微控制器來節省資金，而無需為不必要的功能付費。

相比之下，FPGA的通用性要高得多。 使用單個FPGA，可以配寘五個沒有USB介面的ADC介面，或三個沒有ADC介面的USB介面。 FPGA就像一張白紙，有許多內部線條（即路線）來支持各種不同的應用需求，但這也新增了成本和複雜性。 在大多數情况下，組織不必為未使用的額外功能和靈活性付費。

數量也是成本的一個關鍵因素。 購買1000萬個微控制器的成本遠低於購買10萬個FPGA的成本，這是消費電子產品中的常見現象。 FPGA的生產和銷售數量通常較小，囙此其單價較高。 這構成了一個迴圈：如果FPGA的數量新增，價格可能會下降，但數量的新增要求價格必須下降。 那麼，如果FPGA的成本與微控制器的成本相當，會使用更多的FPGA嗎？ 有可能，但FPGA的使用難度要大得多，這不利於FPGA的普及。

因為微控制器是為特定目的而設計的，所以它們相對容易設定，通常可以在幾個小時內配寘和運行。 另一方面，FPGA需要對其所有內部組件進行程式設計，這非常耗時。 雖然有一些現成的硬IP模塊可用，但大多數設備都是可程式設計邏輯，即它們需要在內部設計。 用Verilog或VHDL編寫程式碼比用C更耗時，C通常是編寫微控制器程式的首選語言，因為它允許在更高級別編寫程式碼，其中一行程式碼可以實現更多功能。 相比之下，使用Verilog和VHDL的低級程式設計需要手動創建單獨的門電路和佈線，這新增了複雜性和成本。 工程師通常傾向於選擇最簡單的解決方案，在大多數情况下，微控制器比FPGA更簡單。

此外，設備功耗也是一個需要考慮的因素。 許多電子設備依賴於電池供電，囙此降低設備功耗以延長使用時間至關重要。 功耗越高，更換電池的頻率就越高，這是用戶不想要的。 由於微控制器是為特定用途而設計的，囙此可以對其進行優化以實現非常低的功耗。 例如，一節AAA電池可以為藍牙滑鼠供電數月。 另一方面，FPGA需要在所有資源之間進行路由，其功耗無法與微控制器相匹配。 這並不意味著FPGA不能用於電池供電的應用，但微控制器在功耗方面通常具有優勢。

微控制器通常具有更簡單、更快的開發過程，因為它們可以使用軟體發展人員更熟悉的高級程式設計語言和開發環境進行程式設計。 使用高階語言、庫和框架可以簡化開發過程，减少實現和測試所需功能所需的時間。

FPGA是一種高度通用的集成電路，允許用戶通過在硬體級別進行程式設計來創建自定義數位電路。 它們提供了極大的靈活性，非常適合需要快速原型和可重構性的複雜應用。 另一方面，微控制器是將處理器覈心、記憶體和各種周邊設備組合到單個晶片中的緊湊型集成電路。 它們專為特定任務而設計，為簡單到中等複雜的應用程序提供經濟高效的解決方案。