Thông tin PCB - FPGA và vi điều khiển

FPGA là một chip tích hợp chủ yếu bao gồm các mạch kỹ thuật số, thuộc về một loại thiết bị logic lập trình (PLD); FPGA nổi lên như một mạch bán tùy chỉnh trong lĩnh vực mạch tích hợp chuyên dụng (ASIC), không chỉ giải quyết những thiếu sót của mạch tùy chỉnh mà còn vượt qua giới hạn về số lượng mạch cổng có thể lập trình trong các thiết bị lập trình ban đầu. Nó được đặc trưng bởi tính linh hoạt và khả năng cấu hình lại và được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực truyền thông, xử lý tín hiệu kỹ thuật số và hệ thống nhúng. Nó là một thiết bị logic lập trình bao gồm các đơn vị logic lập trình và các tài nguyên kết nối có thể lập trình.

Vi điều khiển là một loại chip mạch tích hợp sử dụng công nghệ mạch tích hợp quy mô cực lớn để tích hợp khả năng xử lý dữ liệu như đơn vị xử lý trung tâm (CPU), bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM), bộ nhớ chỉ đọc (ROM), các cổng I/O khác nhau và hệ thống ngắt trên một chip silicon, một hệ thống máy tính mini tích hợp nhỏ bao gồm các chức năng như bộ hẹn giờ/bộ đếm (cũng có thể bao gồm mạch điều khiển hiển thị, mạch điều chế độ rộng xung, bộ ghép kênh tương tự, bộ chuyển đổi A/D, v.v.) được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển công nghiệp.

Sự khác biệt giữa FPGA và Microcontroller (Microcontroller vs FPGA)

1) Hiệu suất hoạt động

Khi so sánh hiệu suất của FPGA và vi điều khiển, cần phải xem xét bản chất của các nhiệm vụ mà chúng được thiết kế để thực hiện. FPGA giỏi xử lý các tác vụ song song, trong khi vi điều khiển được tối ưu hóa để xử lý tuần tự.

FPGA có thể thực hiện nhiều hoạt động cùng một lúc. Sự song song này cho phép FPGA đạt được hiệu suất cao trong các ứng dụng đòi hỏi xử lý đồng thời, chẳng hạn như xử lý tín hiệu kỹ thuật số, xử lý hình ảnh và mật mã. Ví dụ, FPGA có thể xử lý nhiều luồng dữ liệu song song, cho phép xử lý thời gian thực các tín hiệu băng thông cao hoặc hình ảnh có độ phân giải cao.

Vi điều khiển được thiết kế để xử lý các tác vụ tuần tự. Hiệu suất của chúng phụ thuộc vào các yếu tố như tốc độ xung nhịp CPU, kiến trúc và tập lệnh.

2) Tiêu thụ năng lượng

Tiêu thụ điện năng là một yếu tố quan trọng cần xem xét khi so sánh FPGA và vi điều khiển vì nó ảnh hưởng đến hiệu quả tổng thể của hệ thống, tuổi thọ pin và quản lý nhiệt.

FPGA thường tiêu thụ nhiều năng lượng hơn vi điều khiển. Tiêu thụ năng lượng của FPGA phụ thuộc vào các yếu tố như số lượng các thành phần logic hoạt động, tần số chuyển đổi được kết nối với nhau và hoạt động I/O. Trong các ứng dụng đòi hỏi xử lý song song hiệu suất cao, lợi thế hiệu suất do FPGA cung cấp có thể làm tăng mức tiêu thụ điện năng của nó.

Vi điều khiển thường tiêu thụ ít năng lượng hơn FPGA. Mức tiêu thụ năng lượng của chúng chủ yếu phụ thuộc vào các yếu tố như tốc độ xung nhịp CPU, hoạt động của thiết bị ngoại vi và các tính năng quản lý năng lượng được thực hiện trong thiết bị. Nhiều vi điều khiển bao gồm các tính năng quản lý năng lượng tiên tiến như chế độ ngủ và điều chỉnh điện áp động, có thể làm giảm mức tiêu thụ điện năng hơn nữa trong các khoảng thời gian hoạt động thấp.

3) Linh hoạt và tùy chỉnh

FPGA có tính linh hoạt và tùy biến cao nhờ kiến trúc lập trình của nó, cho phép các nhà thiết kế tạo ra các mạch kỹ thuật số tùy chỉnh theo yêu cầu cụ thể của họ. Các khối logic, kết nối và I/O trong FPGA có thể được cấu hình để thực hiện các chức năng kỹ thuật số khác nhau, từ các cổng logic đơn giản đến các thuật toán xử lý tín hiệu kỹ thuật số phức tạp.

4) Thời gian phát triển và sự phức tạp

Việc phát triển FPGA phức tạp và tốn thời gian hơn. Quá trình phát triển FPGA thường liên quan đến việc viết mã bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL), chẳng hạn như VHDL hoặc Verilog.

Có rất nhiều loại vi điều khiển, mỗi loại được tối ưu hóa cho một mục đích cụ thể và có thể giúp các công ty giảm chi phí. Ví dụ: nếu bạn cần một bộ chuyển đổi analog-digital (ADC), hai cổng USB và ít nhất 30 chân vào/ra phổ quát (GPIO), bạn có thể chọn một bộ vi điều khiển đáp ứng đầy đủ các nhu cầu này. Nếu bạn chỉ cần một giao diện USB, bạn có thể sử dụng một bộ vi điều khiển khác phù hợp với thông số kỹ thuật đó. Tính linh hoạt này cho phép các tổ chức tiết kiệm tiền bằng cách chọn bộ vi điều khiển có chi phí thấp nhất mà không phải trả tiền cho các tính năng không cần thiết.

Ngược lại, FPGA linh hoạt hơn nhiều. Với một FPGA duy nhất, năm giao diện ADC không có giao diện USB có thể được cấu hình hoặc ba giao diện USB không có giao diện ADC. FPGA giống như một tờ giấy trắng với nhiều đường bên trong (tức là các tuyến đường) để hỗ trợ các yêu cầu ứng dụng khác nhau, nhưng điều này cũng làm tăng chi phí và độ phức tạp. Trong hầu hết các trường hợp, các tổ chức không phải trả tiền cho các tính năng bổ sung và tính linh hoạt không được sử dụng.

Số lượng cũng là một yếu tố quan trọng trong chi phí. Chi phí mua 10 triệu vi điều khiển thấp hơn nhiều so với chi phí mua 100.000 FPGA, một hiện tượng phổ biến trong các thiết bị điện tử tiêu dùng. FPGA thường được sản xuất và bán với số lượng nhỏ, do đó đơn giá của nó cao hơn. Điều này tạo thành một chu kỳ: nếu số lượng FPGA tăng, giá có thể giảm, nhưng số lượng tăng đòi hỏi giá phải giảm. Vì vậy, nếu chi phí của FPGA tương đương với chi phí của vi điều khiển, sẽ có nhiều FPGA hơn được sử dụng? Có thể, nhưng FPGA khó sử dụng hơn nhiều, điều này không có lợi cho sự phổ biến của FPGA.

Bởi vì vi điều khiển được thiết kế cho một mục đích cụ thể, chúng tương đối dễ thiết lập và thường có thể được cấu hình và chạy trong vài giờ. FPGA, mặt khác, yêu cầu lập trình tất cả các thành phần bên trong của nó, rất tốn thời gian. Mặc dù có một số mô-đun IP cứng có sẵn, hầu hết các thiết bị đều có logic lập trình, tức là chúng cần được thiết kế nội bộ. Viết mã bằng Verilog hoặc VHDL tốn nhiều thời gian hơn C, thường là ngôn ngữ được lựa chọn để viết các chương trình vi điều khiển vì nó cho phép viết mã ở cấp độ cao hơn, nơi một dòng mã có thể thực hiện nhiều chức năng hơn. Ngược lại, lập trình cấp thấp sử dụng Verilog và VHDL đòi hỏi phải tạo ra các mạch cửa và hệ thống dây điện riêng biệt theo cách thủ công, làm tăng thêm sự phức tạp và chi phí. Các kỹ sư thường có xu hướng chọn giải pháp đơn giản nhất và trong hầu hết các trường hợp, vi điều khiển đơn giản hơn FPGA.

Ngoài ra, tiêu thụ điện năng của thiết bị cũng là một yếu tố cần xem xét. Nhiều thiết bị điện tử phụ thuộc vào nguồn pin, vì vậy điều quan trọng là phải giảm mức tiêu thụ điện năng của thiết bị để kéo dài thời gian sử dụng. Mức tiêu thụ điện năng càng cao, pin càng thường xuyên được thay thế, điều mà người dùng không muốn. Vì vi điều khiển được thiết kế cho một mục đích cụ thể, chúng có thể được tối ưu hóa để tiêu thụ điện năng rất thấp. Ví dụ, một pin AAA có thể cung cấp năng lượng cho chuột Bluetooth trong nhiều tháng. FPGA, mặt khác, cần định tuyến giữa tất cả các tài nguyên và mức tiêu thụ năng lượng của nó không thể phù hợp với vi điều khiển. Điều này không có nghĩa là FPGA không thể được sử dụng trong các ứng dụng chạy bằng pin, nhưng vi điều khiển thường có lợi thế về mức tiêu thụ điện năng.

Vi điều khiển thường có quy trình phát triển đơn giản và nhanh hơn vì chúng có thể được lập trình bằng ngôn ngữ lập trình cấp cao và môi trường phát triển quen thuộc hơn với các nhà phát triển phần mềm. Sử dụng các ngôn ngữ, thư viện và framework nâng cao giúp đơn giản hóa quá trình phát triển và giảm thời gian cần thiết để thực hiện và kiểm tra các tính năng cần thiết.

FPGA là một mạch tích hợp rất linh hoạt cho phép người dùng tạo các mạch kỹ thuật số tùy chỉnh bằng cách lập trình chúng ở cấp độ phần cứng. Chúng cung cấp tính linh hoạt tuyệt vời và lý tưởng cho các ứng dụng phức tạp đòi hỏi tạo mẫu nhanh và khả năng tái cấu trúc. Mặt khác, vi điều khiển là các mạch tích hợp nhỏ gọn kết hợp lõi bộ xử lý, bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi khác nhau vào một chip duy nhất. Được thiết kế cho các nhiệm vụ cụ thể, chúng cung cấp các giải pháp hiệu quả về chi phí cho các ứng dụng từ đơn giản đến trung bình.