Программируемая вентильная матрица (FPGA) и микроконтроллер — в чем разница?

Программируемая пользователем вентильная или сеточная матрица (FPGA) и микроконтроллер похожи, но не одно и то же. По сути, это «маленькие компьютеры» или интегральные схемы, встроенные в другие устройства и продукты. Основное отличие заключается в названии. Пользователи могут программировать аппаратное обеспечение ПЛИС после изготовления, делая их «программируемыми в полевых условиях», в то время как микроконтроллеры настраиваются только на более поверхностном уровне. Кроме того, ПЛИС могут обрабатывать параллельные входы, в то время как микроконтроллеры считывают одну строку код за раз.

Поскольку ПЛИС обеспечивают более высокий уровень персонализации, они дороже и сложнее в программировании. Микроконтроллеры, напротив, экономичны, но гораздо менее настраиваемые. Узнайте больше о сходствах и Различия между микроконтроллерами и FPGA. Одно не обязательно лучше другого — при принятии решения о том, что использовать, учитывайте множество факторов.

Что такое микроконтроллер?

Микроконтроллер (MCU) — это, по сути, небольшой компьютер. Он имеет все те же элементы, что и другие компьютеры, включая центральный процессор (CPU), некоторую оперативную память (RAM) и ввод устройства вывода. В отличие от настольного компьютера, на котором могут выполняться тысячи различных программ, микроконтроллер — это специальное устройство, выполняющее одну программу.

Он создан для многократного выполнения одной операции, автоматически или по запросу пользователя. Он встроен в какое-либо другое устройство, будь то потребительское, производственное, медицинское или другое устройство. Он работает с низким энергопотреблением — его энергопотребление измеряется в миллиамперах. В результате микроконтроллеры, как правило, доступны по цене. Однако стоимость устройства, в которое он встроен, может сильно различаться.

Микроконтроллеры окружают вас повсюду в повседневной жизни. Вот несколько бытовых устройств, в которые встроен микроконтроллер:

• Клавиатуры
• Мониторы
• Принтеры
• Копиры
• Факсы
• Телефоны
• Пульты дистанционного управления телевизором
• Микроволновки
• Стиральные машины и сушилки
• Спринклеры для газонов
• Детские игрушки

Помимо потребительских товаров, микроконтроллеры также встроены в следующие устройства:

• Светофоры
• Системы управления двигателем
• Электроинструменты
• Имплантируемые медицинские устройства

Это всего лишь несколько примеров — микроконтроллеры встроены во все виды устройств, на которые мы полагаемся в современном обществе. Каждый микроконтроллер имеет определенное повторяющееся назначение. Он может работать автоматически с использованием системы управления с обратной связью. , как в случае со светофором. Или он может работать по входным сигналам пользователя, например, по щелчку выключателя или нажатию кнопки. Последняя концепция верна для пульта дистанционного управления микроволновой печью, стиральной машиной или телевизором.

Что такое программируемый пользователем массив сетки?

Программируемая пользователем вентильная или сеточная решетка немного сложнее, чем микроконтроллер. В большинстве случаев микросхема поставляется предварительно запрограммированной. Как пользователь, вы можете изменить программное обеспечение, но не Это подводит нас к определяющему элементу FPGA — вы, пользователь, можете настроить его оборудование после покупки.

Инженеры находят это особенно полезным для создания прототипов своих собственных интегральных схем для конкретных приложений. Фактически, Intel использует форму FPGA для оптимизации собственного процесса прототипирования. FPGA также полезны, поскольку устройства, в которых Встроенные ПЛИС могут быть изменены без использования нового оборудования.

В соответствии с примером, приведенным в «ПЛИС для чайников», правила могут измениться, чтобы потребовать, чтобы автомобильные камеры заднего вида работали быстрее. Если эти камеры работают на ПЛИС, производители могут внести это изменение без установки дорогостоящих , совершенно новое оборудование. Они могут просто перепрограммировать FPGA в камере заднего вида каждого автомобиля. Автомобили, которые уже находятся в пути, можно изменить, а не устареть.

Как это работает?

FPGA имеют «массив» интегральных аппаратных схем — эти массивы представляют собой группы программируемых логических блоков. Во время производства FPGA не настраивается для какой-либо конкретной функции. Вместо этого пользователь может настройте его, а затем перенастройте по своему усмотрению.

Пользователь делает это с помощью языка описания оборудования (HDL). FPGA имеет логические блоки, такие как AND и XOR, которые пользователь может соединять вместе с межсоединениями. Современные FPGA имеют множество логических вентилей и Блоки оперативной памяти, поэтому они могут выполнять сложные вычисления. Некоторые FPGA также имеют аналого-цифровые преобразователи или цифро-аналоговые преобразователи, аналогичные программируемым пользователем аналоговым массивам (FPAA).

Чем они похожи

И FPGA, и микроконтроллеры имеют одну и ту же основную цель — они оба построены таким образом, что производитель или конечный пользователь могут определить их функции. Они оба выполняют определенные приложения и встроены в другие устройств, будь то светофор или стиральная машина. Именно благодаря этой универсальности вы можете найти их повсюду вокруг себя. Все, что мы делаем, стало проще благодаря этим маленьким интегральным схемам.

На неопытный взгляд они выглядят примерно одинаково. Оба представляют собой плоские, квадратные, крошечные чипы, окруженные программируемыми выводами. Оба они по сути являются миниатюрными компьютерами, запрограммированными для определенной цели. По этой причине ни ПЛИС, ни микроконтроллер не могут служить персональным или настольным компьютером. Вместо этого они следуют командам для выполнения одной функции на разных уровнях сложности.

Основные компоненты

Эти устройства имеют несколько фундаментальных сходств. Фактически, они состоят из одних и тех же основных компонентов. ПЛИС и микроконтроллер — это интегральные схемы, которые работают с использованием компьютерной логики и двоичных файлов.

Интегральная схема представляет собой набор электронных схем на одной плоской микросхеме, состоящей из полупроводникового материала — часто кремния. Она может выполнять вычисления и хранить данные. Интегральные схемы используют либо цифровую, либо аналоговую технологию — как упоминалось выше, некоторые FPGA могут выполнять преобразование между двумя. Цифровая технология использует двоичную логику, а аналоговая технология определяет линейную функцию входа для вычисления выхода.

Эта базовая концепция, ввод определяющий вывод, описывает, как работают все компьютеры. Цифровая технология включает в себя двузначную логическую систему или двоичную систему — единица или ноль, включено или выключено, да или нет. важно понимать основы компьютерной логики при программировании микроконтроллера или ПЛИС.

Настройка

Кроме того, и FPGA, и микроконтроллеры в некоторой степени программируются после производства — это означает, что либо производитель, либо конечный пользователь могут разработать свои функции и встроить их по мере необходимости. Вот почему у этих устройств так много применения в самых разных отраслях.

То, насколько вы можете настраивать ПЛИС, отличает ее от других, поэтому они наиболее полезны для сложных, высокотехнологичных приложений. С другой стороны, микроконтроллер лучше подходит для более простых приложений.

Чем они отличаются

Основное различие между FPGA и микроконтроллером заключается в уровне настройки и сложности. Они также различаются по цене и простоте использования. По сути, FPGA допускает более широкие возможности настройки и более сложные процессы, поскольку а также ретроактивные изменения в оборудовании. Пользователю требуется больше навыков и ноу-хау для использования FPGA.

Хотя у ПЛИС есть свои преимущества, микроконтроллеры дешевле и проще в использовании. Большинство любителей или новичков выиграют от покупки микроконтроллеров, в то время как инженерные компании и производители могут предпочесть ПЛИС.

Микроконтроллеры

Определяющими характеристиками микроконтроллеров являются:

• Они просты в использовании: Любой, кто имеет базовые знания в области кодирования, может запрограммировать микроконтроллер. Вы можете запрограммировать микроконтроллер с помощью языка ассемблера, такого как Javascript или Python, которому вы можете научиться самостоятельно на онлайн-курсах.
• Они доступны по цене. Поскольку их проще производить в массовом порядке, первоначальные затраты на микроконтроллер меньше, чем на ПЛИС.
• Они не всегда идеальны для сложных приложений: Выделенный процессор микроконтроллера обрабатывает все входы и выходы. В результате могут возникать узкие места, поскольку процессы должны ждать разрешения других. Поскольку они не позволяют выполнять параллельные функции, микроконтроллеры лучше подходят для более простых целей.
• Они идеально подходят для простых приложений: Подумайте о своей стиральной машине. После того, как вы надели одежду, вы настраиваете две или три настройки, а затем нажимаете «Старт». Точно так же вашей компьютерной мыши нужно знать, как интерпретировать только несколько вводов — прокрутка вверх, прокрутка вниз, щелчок левой и правой кнопкой мыши. Для таких простых, неизменяемых приложений идеально подходит микроконтроллер.

ПЛИС

Некоторые определяющие характеристики ПЛИС включают:

• Для их использования требуется больше навыков: Для программирования ПЛИС вам потребуется нечто большее, чем базовое понимание языка программирования. Помимо знания языка программирования, вам нужно будет уметь отслеживать большое количество переменных. Вам также необходимо понимать язык описания оборудования. Проектирование и перепроектирование оборудования — задача не для новичков.
• Они обеспечивают больший параллелизм: ПЛИС имеет тысячи логических блоков, каждый из которых можно запрограммировать. Вы можете создавать процессы, независимые друг от друга, уменьшая количество узких мест, как в случае с микроконтроллерами.
• Они обеспечивают более высокий уровень настройки: Проще говоря, если вы знаете, что делаете, вы можете сделать гораздо больше с FPGA, чем с микроконтроллером. Если вы хотите запрограммировать что-то сложное, вам потребуется больше возможностей настройки, чем предоставляет микроконтроллер.
• Они, как правило, стоят дороже: Одним из недостатков FPGA является то, что они, как правило, дороже микроконтроллеров. Несмотря на более высокие первоначальные затраты, они могут сэкономить деньги для отраслей, которым, возможно, потребуется внести изменения задним числом. Вспомните пример с камерой заднего вида.
• Они идеально подходят для более сложных приложений: Поскольку FPGA допускают параллельные процессы, вы можете реализовать больше входных данных с FPGA, чем с микроконтроллером, не сталкиваясь с проблемой узких мест. Это делает их идеальными для более сложных операций.
• Они позволяют вносить изменения позже: Одним из самых больших преимуществ FPGA является то, что само оборудование может быть изменено после его первоначального программирования. По этой причине вы можете изменить функцию устройства без полной замены его оборудования. В долгосрочной перспективе это более рентабельно, особенно для предприятий массового производства.

Должен ли я использовать микроконтроллер или FPGA в моей печатной плате (PCB)?

Печатная плата оживляет чертеж схемы. Чем больше проводящих слоев на плате, тем больше соединений вы можете выполнить. Четырехслойная плата будет иметь четыре проводящих слоя с изолирующими слоями. между ними. Сборка печатной платы требует приличных технических знаний, поэтому ознакомьтесь с жаргоном, если вы собираете ее в первый раз. Вы можете положиться на профессиональную службу производства печатных плат или поставщика печатных плат.

Используете ли вы микроконтроллер или ПЛИС в своей печатной плате, зависит от нескольких факторов, в том числе:

• Необходимый уровень сложности.
• Ваш уровень знаний.
• Ваш бюджет, особенно если вам нужно покупать оптом.
• Возможно, вам потребуется внести изменения, имеющие обратную силу.

Необходимый уровень сложности

FPGA могут выполнять несколько строк кода одновременно, что позволяет выполнять независимые параллельные процессы. Для высокоразвитых приложений эта возможность является необходимостью. FPGA может обрабатывать более сложные входные данные и выполнять одновременные операции . Недостатком является то, что для правильной работы ПЛИС требуется идеальная синхронизация и точность. Малейшая ошибка может сделать всю систему бесполезной.

Микроконтроллеры, напротив, считывают за раз только одну строку кода, обрабатывая команды последовательно. Хотя это может привести к узким местам, у него есть свои преимущества. Поскольку они менее сложны, микроконтроллеры легче программировать и перепрограммировать, используя метод проб и ошибок. Для простых приложений ПЛИС может быть сложнее, чем необходимо, и это может усложнить программирование, чем нужно.

Если при программировании ПЛИС допущена ошибка, ремонт будет гораздо более сложным. Это подводит нас к следующему пункту, который заключается в том, что вам нужно выбрать между ПЛИС и микроконтроллером. зависит от вашего уровня знаний.

Ваш уровень знаний

Проще говоря, FPGA — не лучший выбор для новичка. Языки описания оборудования требуют больше времени и опыта для изучения, чем языки ассемблера. Более высокий уровень настройки означает, что требуется больше навыков. Если у вас большой опыт работы с вычислительной техникой, ПЛИС предоставит вам привлекательный уровень настраиваемости.

Ваш бюджет

Имейте в виду, что ПЛИС, как правило, более дороги по своей первоначальной стоимости, чем микроконтроллеры. относительно экономичный микроконтроллер может быть лучшим вариантом.

Несмотря на то, что их первоначальная стоимость выше, FPGA могут снизить расходы в дальнейшем, особенно в отношении объектов массового производства, которые могут потребовать изменения после первоначальной сборки.

Ваша потребность в ретроактивных изменениях

По ряду причин вам может понадобиться изменить аппаратное обеспечение вашего приложения. В этом случае вы будете рады иметь FPGA. Это одна из причин, почему так много промышленности предпочитают FPGA. Когда законы, стандарты, правила или потребности меняются, гораздо дешевле и быстрее изменить существующие FPGA, чем внедрять совершенно новые аппаратные системы.

Узнайте больше, связавшись с Millennium Circuits

И FPGA, и микроконтроллеры ценны для самых разных целей. Их универсальность позволяет использовать их для тысяч приложений, некоторые из которых мы используем каждый день. Понимание сходств и различий между ними поможет вы определяете, какой вариант лучше всего подходит для ваших целей.

Несмотря на то, что они состоят из одних и тех же основных компонентов, они различаются по уровню настройки, сложности, цене и требуемому уровню знаний. Выбор одного над другим должен зависеть от множества факторов. Каждый решение имеет уникальные преимущества и потенциальные недостатки.

Разрабатываете ли вы самодельный проект, создаете прототип нового продукта или хотите оптимизировать технический процесс, одна из этих интегральных схем обязательно вам пригодится. если у вас есть какие-либо вопросы о технологии FPGA или микроконтроллеров, используемых на печатных платах, обратитесь за дополнительной информацией к экспертам Millennium Circuits Limited.