FPGA против микроконтроллера: ключевые различия

Пользователево-программируемый шлюз или матрица вентилей (FPGA) и микроконтроллер похожи, но не идентичны. Оба являются по сути «маленькими компьютерами» или интегральными схемами, встроенными в другие устройства и продукты. Главное различие кроется в названии: пользователи могут программировать аппаратную часть FPGA после производства, что делает их «пользователево-программируемыми», тогда как микроконтроллеры настраиваются только на более поверхностном уровне. Кроме того, FPGA способны обрабатывать параллельные входы, в то время как микроконтроллеры выполняют код последовательно — одну строку за раз.

Благодаря более высокому уровню персонализации FPGA стоят дороже и сложнее в программировании. Напротив, микроконтроллеры экономичны, но значительно менее гибки. Узнайте больше о сходствах и различиях между микроконтроллерами и FPGA. Одно не обязательно лучше другого — при выборе учитывайте множество факторов.

Что такое микроконтроллер?

Микроконтроллер (MCU) — это по сути маленький компьютер. Он содержит все те же элементы, что и другие компьютеры: центральный процессор (CPU), оперативную память (RAM) и устройства ввода-вывода. В отличие от настольного компьютера, способного запускать тысячи программ, микроконтроллер — специализированное устройство, выполняющее одну программу.

Он создан для повторяющегося выполнения одной задачи — автоматически или по запросу пользователя. Встраивается в другие устройства: бытовую технику, промышленное оборудование, медицинские приборы и многое другое. Работает при низком энергопотреблении — в миллиамперах. Поэтому микроконтроллеры доступны по цене, хотя стоимость конечного устройства может сильно варьироваться.

Микроконтроллеры окружают нас повсюду. Вот несколько бытовых устройств, в которые они встроены:

• Клавиатуры
• Мониторы
• Принтеры
• Ксероксы
• Факсы
• Телефоны
• Пульты от телевизоров
• Микроволновки
• Стиральные и сушильные машины
• Системы полива газонов
• Детские игрушки

Помимо бытовых приборов, микроконтроллеры используются в:

• Светофорах
• Системах управления двигателем автомобиля
• Электроинструментах
• Имплантируемых медицинских устройствах

Это лишь малая часть примеров — микроконтроллеры встроены во множество устройств, от которых зависит современное общество. У каждого своя специфическая, повторяющаяся функция. Они могут работать автоматически с системой обратной связи (как светофоры) или по команде пользователя (нажатие кнопки, переключение тумблера) — как в микроволновке, стиральной машине или пульте ДУ.

Что такое пользователево-программируемая вентильная матрица?

FPGA сложнее микроконтроллера. Обычно чип поставляется предварительно запрограммированным: пользователь может менять ПО, но не аппаратную часть. Именно здесь кроется суть FPGA — вы можете конфигурировать её «железо» после покупки.

Инженеры ценят это для прототипирования собственных специализированных интегральных схем (ASIC). Сам Intel использует разновидность FPGA для ускорения прототипирования. FPGA также полезны тем, что устройства на их базе можно модифицировать без замены всего оборудования.

По примеру из «FPGA для чайников»: нормативы могут потребовать более быструю работу камер заднего вида. Если они работают на FPGA, производитель может обновить прошивку без установки нового оборудования. Уже проданные автомобили можно обновить, а не списать.

Как это работает?

FPGA содержит «массив» интегральных схем — группы программируемых логических блоков. При производстве FPGA не имеет заданной функции. Пользователь конфигурирует её и может переконфигурировать позже как угодно.

Для этого используется язык описания аппаратуры (HDL). В FPGA есть логические блоки (И, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и др.), которые пользователь соединяет перемычками. Современные FPGA содержат тысячи логических элементов и блоков ОЗУ, что позволяет выполнять сложные вычисления. Некоторые имеют ЦАП и АЦП, как полевые программируемые аналоговые массивы (FPAA).

Чем они похожи

И FPGA, и микроконтроллеры имеют одну базовую цель — их функция определяется производителем или пользователем. Оба выполняют специфические задачи и встраиваются в другие устройства — от светофоров до стиральных машин. Эта универсальность делает их невидимыми, но незаменимыми помощниками повсюду.

Неподготовленному глазу они выглядят одинаково: плоские квадратные чипы с выводами. Оба — миниатюрные компьютеры для конкретной задачи. Ни то, ни другое не может служить персональным компьютером: они следуют командам, выполняя одну функцию с разной степенью сложности.

Базовые компоненты

У этих устройств фундаментальные сходства. Оба — интегральные схемы, работающие на компьютерной логике и двоичном коде.

Интегральная схема — это набор электронных цепей на одном плоском кристалле из полупроводника (обычно кремния). Она выполняет вычисления и хранит данные. ИС используют цифровую или аналоговую технологию — некоторые FPGA умеют конвертировать их друг в друга. Цифровая техника использует двоичную логику, аналоговая — линейную функцию входа для расчёта выхода.

Эта концепция «вход определяет выход» описывает работу всех компьютеров. Цифровая техника использует двухзначную логику (бинарную) — 1 или 0, вкл/выкл, да/нет. Понимание основ компьютерной логики важно при программировании и микроконтроллера, и FPGA.

Настройка

Кроме того, и FPGA, и микроконтроллеры программируются после производства в какой-то степени — производитель или пользователь может задать их функцию и встроить куда угодно. Поэтому они применяются во многих отраслях.

Степень настройки FPGA выделяет их для сложных высокотехнологичных задач. Микроконтроллер лучше подходит для простых приложений.

Чем они отличаются

Главное отличие — уровень настройки и сложности. Различаются также цена и простота использования. FPGA даёт большую гибкость, сложные процессы и ретроспективные изменения железа, но требует высокой квалификации.

Микроконтроллеры дешевле и проще. Хоббистам и новичкам лучше подходят они, а инженерным компаниям и производителям — FPGA.

Микроконтроллеры

Определяющие черты микроконтроллеров:

• Просты в использовании: Базовые знания кодирования достаточно. Можно программировать на ассемблере, JavaScript или Python — самообучение через онлайн-курсы реально.
• Доступны по цене: Проще в массовом производстве, поэтому дешевле FPGA.
• Не идеальны для сложных задач: Выделенный процессор обрабатывает все вводы/выводы последовательно. Возникают «узкие горлышка», так как процессы ждут завершения других. Без параллелизма подходят для простых целей.
• Идеальны для простых приложений: Стиральная машина: загрузили белье, выбрали 2-3 режима, нажали «Старт». Мышь компьютера интерпретирует всего несколько входов. Для неизменных простых задач микроконтроллер — оптимальный выбор.

FPGA

Ключевые особенности FPGA:

• Требуют больше навыков: Недостаточно знать язык программирования. Нужно отслеживать множество переменных и понимать HDL. Проектирование и перепроектирование железа — не для новичков.
• Обеспечивают больше параллелизма: Тысячи логических блоков можно запрограммировать независимо, снижая риск «узких горлышек».
• Высокая настраиваемость: При компетенции можно реализовать гораздо более сложные задачи, чем на микроконтроллере.
• Стоят дороже: Высокая начальная цена. Но в долгую экономят средства там, где нужны ретроспективные изменения — пример с камерой заднего вида.
• Идеальны для сложных приложений: Параллельные процессы позволяют больше входов без бутылочного горлышка.
• Позволяют позднее изменение: Аппаратную часть можно перепрограммировать после начальной настройки. Функцию устройства меняют без замены железа — выгодно при серийном производстве.

Что выбрать для печатной платы: микроконтроллер или FPGA?

Печатная плата воплощает схему в жизнь. Чем больше проводящих слоёв, тем больше связей. Четырёхслойная плата имеет четыре проводящих слоя с изоляцией между ними. Сборка печатной платы требует технических знаний — изучите терминологию при первом опыте. Можно обратиться к профессиональному сервису производства печатных плат или поставщику.

Выбор между микроконтроллером и FPGA для вашей платы зависит от:

• Необходимого уровня сложности
• Вашей квалификации
• Бюджета, особенно при закупке партиями
• Потребности в ретроспективных изменениях

Необходимый уровень сложности

FPGA выполняют несколько строк кода одновременно — независимые параллельные процессы. Для высокотехнологичных приложений это необходимо. FPGA обрабатывают сложные входы и одновременные операции. Минус — требуют идеального тайминга и точности. Малейшая ошибка делает систему бесполезной.

Микроконтроллеры читают код последовательно — одна строка за раз. Это может вызывать бутылочные горлышки, но упрощает программирование и отладку методом проб и ошибок. Для простых задач FPGA может быть избыточным и усложнить разработку.

Ошибка в программе FPGA исправляется гораздо сложнее. Отсюда следующий фактор — ваш уровень экспертизы.

Ваш уровень экспертизы

Простыми словами: FPGA не для начинающих. HDL требует больше времени и опыта, чем языки ассемблера. Большая настраиваемость — больше скиллов. При опыте в компьютерной инженерии FPGA даст привлекательную гибкость.

Ваш бюджет

FPGA изначально дороже микроконтроллеров. Для простых задач — автоподсветка, датчик температуры — выгоднее взять дешёвый микроконтроллер.

Но FPGA могут снизить расходы в перспективе — особенно в серийном производстве, где могут понадобиться изменения после сборки.

Потребность в ретроспективных изменениях

По разным причинам может возникнуть необходимость изменить аппаратную часть. Тогда FPGA станет спасением. Поэтому многие отрасли их предпочитают. При изменении законов, стандартов, регламентов или потребностей дешевле и быстрее перепрограммировать имеющиеся FPGA, чем внедрять всё новое железо.

Узнайте больше, связавшись с Millennium Circuits

И FPGA, и микроконтроллеры ценны для множества задач. Их универсальность открывает тысячи приложений, которыми мы пользуемся ежедневно. Понимание сходств и различий поможет выбрать оптимальный вариант.

Имея одинаковые базовые компоненты, они отличаются уровнем настройки, сложностью, ценой и требуемой экспертизой. Выбор должен учитывать множество факторов. У каждого решения уникальные плюсы и минусы.

Будь то DIY-проект, прототип нового продукта или оптимизация технического процесса — одна из этих интегральных схем пригодится. Если есть вопросы о технологиях FPGA или микроконтроллеров на голых печатных платах, свяжитесь с экспертами Millennium Circuits Limited для получения дополнительной информации.