Mikroprozessor und FPGA im Vergleich zu Mikrocontrollern

Einführung:

FPGA und Mikrocontroller sind die grundlegenden Wurzeln fast aller elektrischen Projekte. In fast allen elektrischen Geräten werden Sie sicher einen programmierbaren Chip finden, der dem Gerät hilft, richtig zu funktionieren. Aber was ist der Unterschied zwischen einem FPGA und einem Mikrocontroller? Und wie können Sie feststellen, welches für Sie besser ist?

Ein FPGA (Field Programmable Gate Array) ist ein IC-Typ, den Sie nach der Herstellung programmieren können, während ein Mikrocontroller seine eigene Schaltung und seine eigenen Anweisungen im Voraus festgelegt hat. Wir werden die Merkmale besprechen, die die beiden unterscheiden, und wie Sie das eine für Ihr Projekt auswählen.

Unterschied zwischen einem Mikroprozessor und einem Mikrocontroller:

Zuerst sollten Sie den Unterschied zwischen einem Mikroprozessor und einem Mikrocontroller kennen, da sie oft verwechselt werden. Ein Mikroprozessor ist eine integrierte Schaltung, die mit einem elektrischen Gerät wie einer CPU geliefert wird und für die Verarbeitung gebaut ist. Diese Chips haben keine Peripheriegeräte wie RAM oder ROM, die auf dem Chip enthalten sind, sondern sind stattdessen außerhalb des Chips vorgesehen, was dazu neigt, ihn voluminöser zu machen. Andererseits ist der Mikrocontroller selbst ein Computer mit eingebetteten Peripheriegeräten und vergleichsweise kleiner. Mikrocontroller sind für die Ausführung spezifischer Aufgaben ausgelegt, und der Bedarf an Peripheriegeräten ist daher geringer, wenn die Aufgabe spezifiziert ist. Mikroprozessoren können als das Herz des Systems betrachtet werden, während Mikrocontroller eingebettete Systeme antreiben.

Mikroprozessoren werden normalerweise für Aufgaben wie Videobearbeitung, Spieleentwicklung usw. verwendet, während Mikrocontroller komplexere Aufgaben abdecken. Mikroprozessoren können normalerweise über 1 GHz gehen, während Mikrocontroller bis zu 30-50 MHz erreichen können. Außerdem sind Mikrocontroller normalerweise billiger als Mikroprozessoren. Sie können einen Mikrocontroller anstelle eines Mikroprozessors verwenden, aber es ist ziemlich teuer.

Mikroprozessoren

Mikroprozessoren sind vergleichsweise teurer, da mehrere externe Komponenten erforderlich sind. Mikrocontroller können mit Energiesparsystemen gebaut werden, während Mikroprozessoren eine solche Funktion nicht haben. Mikrocontroller basieren auf der Harvard-Architektur mit spezifischem Programmier- und Informationsspeicher, während Mikroprozessoren auf dem von Neumann-Modell aufgebaut sind und Daten und Programmierung im selben Speichermodul gespeichert werden.

Unterschied zwischen FPGA und Mikrocontrollern:

Mikrocontroller und FPGA werden beide verwendet, um die Ausgangswerte zu überwachen und die Verarbeitung eines Systems zu steuern. Aber sie haben sehr krasse Unterschiede. Ein Mikrocontroller ist wie ein Computer mit eigenem Speicher, I/O-Ports und Timern. Es kann einfache Aufgaben im Auftrag anderer Hardware ausführen. Ein FPGA ist eine Art IC mit Millionen von Logikgattern und kann Aufgaben durch programmierte Logikgatter ausführen, sie benötigen auch externe Peripheriegeräte, um zu funktionieren. Ein Mikrocontroller kann mit C, C++ programmiert werden, während die Logikgatter auf dem FPGA mit VHDL oder Verilog programmiert werden. Der Mikroprozessor hat eine begrenzte Verarbeitungsleistung, während das FPGA begrenzten Platz hat.

Mimas V2 Spartan 6 FPGA-Entwicklungsboard

FPGAs zeigen Flexibilität, da sie jede Aufgabe ausführen können, für die sie in den Logikgattern programmiert sind, und sogar neu verdrahtet werden können, um eine andere Aufgabe auszuführen. Mikrocontroller hingegen sind auf die Aufgabe beschränkt, für die sie verdrahtet sind. Mikroprozessoren verbrauchen ein Programm auch Zeile für Zeile in einer Sequenz, während FPGAs verschiedene Befehle gleichzeitig verarbeiten können.

Es ist auch vergleichsweise einfacher, Codes für einen Mikrocontroller zu schreiben als für einen FPGA. Sie können Unterbrechungen in FPGAs leicht kontrollieren, indem Sie FSMs (Finite State Machines) verwenden, während in Mikrocontrollern Zeit benötigt wird, um die Unterbrechungen zu überwinden. Sie können das FPGA einfach neu programmieren, ohne Änderungen an der Hardware vorzunehmen, während das Mikrocontroller-Layout in der integrierten Siliziumschaltung modifiziert werden muss.

Die FPGA-Konfiguration ist komplexer, da Sie alle Codes von Grund auf neu kompilieren und dann in Maschinensprache konvertieren müssen. Auf der anderen Seite sind Mikrocontroller vorgefertigt, um Aufgaben auszuführen, und sind einfacher zu verwenden und zu konfigurieren. Wenn wir von Programmierung sprechen, dann sind Mikrocontroller vergleichsweise flexibler, können aber nicht genau durch die Hardware angepasst werden.

Leistungsaufnahme in FPGA und Mikrocontrollern:

FPGA verbraucht im Vergleich zu Mikrocontrollern vergleichsweise mehr Strom und ist daher nicht für alle Systeme geeignet. FPGAs sind auch nicht so effizient wie Komponenten wie ASICs (Application Specific Integrated Circuits). Die Neuprogrammierung eines FPGA bedeutet auch Ineffizienz, da die Logikauslastung gering wird. Ebenso führen ungenutzte Transistoren zu mehr Stromverbrauch.

Aber die Geschwindigkeit von FPGAs ist höher als die von Mikrocontrollern. Mikrocontroller haben niedrigere Verarbeitungsgeschwindigkeiten, verbrauchen aber auch weniger Strom und bieten sogar Energiesparmodi. Einige erlauben Schlafströme von weniger als 1 µA und können bei langsamen Taktraten mit wenigen µA arbeiten. In einigen Fällen kann ein FPGA-System einen Mikrocontroller auf der Platine verwenden, um die Energieeffizienz zu erhöhen.

Schlussfolgerung:
Ihr Projekt kann sowohl einen Mikrocontroller als auch ein FPGA verwenden. Wenn Sie jedoch eine günstigere Wahl wünschen, sollten Sie sich für Mikrocontroller entscheiden. Wenn Sie eine flexiblere und umprogrammierbare Option wünschen, sollten Sie sich ebenfalls für ein FPGA entscheiden.