FPGA vs. Microcontroller: Belangrijkste Verschillen Uitgelegd

Een field-programmable gate array (FPGA) en een microcontroller lijken op elkaar, maar zijn fundamenteel verschillend. Beide zijn in essentie "kleine computers" of geïntegreerde schakelingen die in andere apparaten en producten worden ingebouwd. Het belangrijkste verschil zit in de naam: gebruikers kunnen de hardware van FPGA's na de productie programmeren, wat ze "field-programmeerbaar" maakt, terwijl microcontrollers alleen op een meer oppervlakkig niveau aanpasbaar zijn. Bovendien kunnen FPGA's parallelle invoeren verwerken, terwijl microcontrollers code sequentieel, regel voor regel, uitvoeren.

Wat is een Microcontroller?

Een microcontroller (MCU) is eigenlijk een kleine computer. Het bevat alle elementen van een gewone computer, waaronder een centrale verwerkingseenheid (CPU), willekeurig toegankelijk geheugen (RAM) en in- en uitvoerapparaten. In tegenstelling tot een desktopcomputer, die duizenden verschillende programma's kan draaien, is een microcontroller een speciaal apparaat dat één specifiek programma uitvoert.

Het is ontworpen om één taak herhaaldelijk uit te voeren, automatisch of op gebruikersverzoek. Het is ingebouwd in een ander apparaat, of het nu een consumenten-, productie-, medisch of ander type product is. Het verbruikt weinig energie – de stroomverbruik is meetbaar in milliampères. Als gevolg hiervan zijn microcontrollers doorgaans betaalbaar. Het apparaat waarin ze zitten, kan echter sterk in prijs variëren.

Je vindt microcontrollers overal in je dagelijks leven. Hier zijn enkele consumentenapparaten waarin een microcontroller is ingebouwd:

• Toetsenborden
• Monitoren
• Printers
• Kopieerapparaten
• Faxmachines
• Telefoons
• TV-afstandsbedieningen
• Magnetrons
• Was- en droogmachines
• Sproeiers voor grasvelden
• Kinderspeelgoed

Naast consumentenartikelen zitten microcontrollers ook in de volgende apparaten:

• Verkeerslichten
• Auto-motorbeheersystemen
• Elektrische gereedschappen
• Implanteerbare medische apparaten

Dit zijn slechts enkele voorbeelden – microcontrollers zitten in allerhande apparaten waar de moderne samenleving op vertrouwt. Elke microcontroller heeft een specifiek, herhalend doel. Het kan automatisch werken met een terugkoppelingssysteem, zoals bij verkeerslichten. Of het kan werken op gebruikersinvoer, zoals het omzetten van een schakelaar of het indrukken van een knop. Dit laatste geldt voor je magnetron, wasmachine en TV-afstandsbediening.

Wat is een Field-Programmable Gate Array?

Een field-programmable gate array is wat complexer dan een microcontroller. Meestal komt een chip voorgeprogrammeerd. Als gebruiker kun je software wijzigen, maar niet de hardware. Hier komen we bij het kennmerkende element van een FPGA: jij, de gebruiker, kunt de hardware na aankoop configureren.

Ingenieurs vinden dit bijzonder nuttig voor het prototypen van hun eigen application-specific integrated circuits (ASIC's). Intel gebruikt bijvoorbeeld een vorm van FPGA om hun eigen prototyperingsproces te stroomlijnen. FPGA's zijn ook nuttig omdat de apparaten waarin ze zitten, gewijzigd kunnen worden zonder volledig nieuwe hardware.

Volgens het voorbeeld uit "FPGAs for Dummies" kunnen wetgevingen veranderen en eisen dat achteruitkijkcamera's in voertuigen sneller werken. Als deze camera's op FPGA's draaien, kunnen fabrikanten deze wijziging aanbrengen zonder dure, volledig nieuwe hardware te installeren. Ze hoeven slechts de FPGA in elke achteruitkijkcamera van de auto te herprogrammeren. Auto's die al op de weg rijden, kunnen worden aangepast in plaats van verouderd te raken.

Hoe Werkt Het?

FPGA's hebben een "array" van geïntegreerde hardwarecircuits – deze arrays zijn groepen programmeerbare logische blokken. Tijdens de productie is een FPGA nog niet geconfigureerd voor een specifieke functie. In plaats daarvan kan de gebruiker het configureren en later opnieuw configureren naar keuze.

De gebruiker doet dit met behulp van een hardwarebeschrijvingstaal (HDL). Een FPGA heeft logische blokken, zoals AND- en XOR-poorten, die de gebruiker met interconnects kan combineren. Moderne FPGA's hebben veel logische poorten en RAM-blokken, zodat ze complexe berekeningen kunnen uitvoeren. Sommige FPGA's hebben ook analoge-naar-digitale of digitale-naar-analoge converters, vergelijkbaar met field-programmable analog arrays (FPAA's).

Hoe Ze Overeenkomend Zijn

Zowel FPGA's als microcontrollers hebben hetzelfde basisonderdeel – ze zijn beide zo gebouwd dat een fabrikant of eindgebruiker hun functie kan bepalen. Ze voeren beide specifieke toepassingen uit en zijn ingebouwd in andere apparaten, of het nu verkeerslichten of wasmachines zijn. Deze veelzijdigheid is de reden dat je ze overal vindt. Alles wat we doen, wordt makkelijker dankzij deze kleine geïntegreerde schakelingen.

Voor een ongetraind oog zien ze er ongeveer hetzelfde uit. Beide zijn platte, vierkante, minuscule chips omringd programmeerbare pennen. Ze zijn beide in essentie miniatuurcomputers, geprogrammeerd voor een duidelijk doel. Om die reden kan noch een FPGA noch een microcontroller dienen als persoonlijke of desktopcomputer. In plaats daarvan volgen ze opdrachten om één functie uit te voeren op variërende complexiteitsniveaus.

Basisonderdelen

Deze apparaten delen verschillende fundamentele overeenkomsten. In feite bestaan ze uit dezelfde basisonderdelen. Zowel een FPGA als een microcontroller zijn geïntegreerde schakelingen die werken met computerlogica en binaire code.

Een geïntegreerde schakeling is een set elektronische schakelingen op één platte chip, bestaande uit halfgeleidermateriaal – vaak silicium. Het kan berekeningen uitvoeren en gegevens opslaan. Geïntegreerde schakelingen gebruiken ofwel digitale, ofwel analoge technologie – zoals hierboven vermeld, kunnen sommige FPGA's tussen de twee converteren. Digitale technologie gebruikt binaire logica, terwijl analoge technologie een lineaire functie van een invoer bepaalt om een uitvoer te berekenen.

Dit basisonderdeel, invoer die uitvoer bepaalt, beschrijft hoe alle computers werken. Digitale technologie omvat een tweewaardig logica-systeem, of binair – één of nul, aan of uit, ja of nee. Het is belangrijk de basisprincipes van computerlogica te begrijpen bij het programmeren van zowel een microcontroller als een FPGA.

Aanpasbaarheid

Daarnaast zijn zowel FPGA's als microcontrollers na productie tot op zekere hoogte programmeerbaar – wat betekent dat een fabrikant of eindgebruiker hun functie kan ontwerpen en ze zo kan inbouwen. Dit is de reden dat deze toepassingen hebben in een brede scala aan industrieën.

De mate waarin je een FPGA kunt aanpassen, onderscheidt het, weshalb deze het meest nuttig zijn voor ingewikkelde, hoogtechnische toepassingen. Aan de andere kant is een microcontroller beter voor eenvoudigere toepassingen.

Hoe Ze Verschillen

Het hoofdverschil tussen een FPGA en een microcontroller is het niveau van aanpassing en complexiteit. Ze verschillen ook in prijs en gebruiksgemak. In essentie stelt een FPGA grotere aanpassing en complexere processen toe, evenals retrospectieve hardwarewijzigingen. Een gebruiker heeft meer vaardigheid en kennis nodig om een FPGA te gebruiken.

Terwijl FPGA's hun voordelen hebben, kosten microcontrollers minder en zijn ze eenvoudiger te gebruiken. Meeste hobbyisten of beginners profiteren van het kopen van microcontrollers, terwijl ingenieursbedrijven en fabrikanten FPGA's kunnen prefereren.

Microcontrollers

De kennmerkende eigenschappen van microcontrollers zijn:

• Ze zijn eenvoudig te gebruiken: Iedereen met een basiskennis van programmeren kan een microcontroller programmeren. Je kunt een microcontroller programmeren met een assembletaal zoals JavaScript of Python, die je jezelf kunt aanleren via online cursussen.
• Ze zijn betaalbaar: Omdat ze eenvoudiger massaal te produceren zijn, zijn de voorafgaande kosten lager voor een microcontroller dan voor een FPGA.
• Ze zijn niet altijd ideaal voor complexe toepassingen: De toegewijde processor van een microcontroller verwerkt alle in- en uitgangen. Als gevolg hiervan kunnen knelpunten ontstaan omdat processen moeten wachten tot andere zijn opgelost. Omdat ze geen parallelle functies toelaten, zijn microcontrollers beter voor eenvoudigere doeleinden.
• Ze zijn ideaal voor eenvoudige toepassingen: Denk aan je wasmachine. Nadat je je kleding erin doet, pas je twee of drie instellingen aan en druk je op start. Op dezelfde manier hoeft je computermuis slechts te weten hoe een paar invoeren te interpreteren – omhoog scrollen, omlaag scrollen, linksklik en rechtsklik. Voor eenvoudige, onveranderlijke toepassingen als deze is een microcontroller ideaal.

FPGA's

Enkele kennmerkende eigenschappen van FPGA's zijn:

• Ze vereisen meer vaardigheid om te gebruiken: Je hebt meer nodig dan een basiskennis van programmeertalen om een FPGA te programmeren. Naast kennis van een programmeertaal, moet je in staat zijn om grote hoeveelheden variabelen bij te houden. Je moet ook een hardwarebeschrijvingstaal begrijpen. Het ontwerpen en herontwerpen van hardware is geen taak voor beginners.
• Ze staan meer parallelle verwerking toe: Een FPGA heeft duizenden logische blokken, die allemaal programmeerbaar zijn. Je kunt processen creëren die onafhankelijk van elkaar zijn, wat knelpunten vermindert zoals bij microcontrollers.
• Ze bieden een hogere mate van aanpassing: Eenvoudig gezegd, als je weet wat je doet, kun je veel meer met een FPGA dan met een microcontroller. Als je iets complex wilt programmeren, heb je meer aanpasbaarheid nodig dan een microcontroller biedt.
• Ze zijn duurder: Een nadeel van FPGA's is dat ze duurder zijn dan microcontrollers. Ondanks hogere initiële kosten, kunnen ze geld besparen voor industrieën die retrospectieve wijzigingen nodig hebben – denk aan het achteruitkijkcamera-voorbeeld.
• Ze zijn ideaal voor complexere toepassingen: Omdat FPGA's parallelle processen toelaten, kun je meer invoeren implementeren met een FPGA dan met een microcontroller, zonder knelpunten. Dit maakt ze ideaal voor complexere operaties.
• Ze staan latere wijzigingen toe: Een van de grootste voordelen van een FPGA is dat de hardware zelf na de initiële programmering gewijzigd kan worden. Hierdoor kun je de functie van een apparaat wijzigen zonder de hardware volledig te vervangen. Dit is op de lange termijn kosteneffectiever, vooral voor massaproductie-industrieën.

Moet Ik een Microcontroller of een FPGA Gebruiken in Mijn Printplaat (PCB)?

Een printplaat brengt een schematische tekening tot leven. Hoe meer conductieve lagen het bord heeft, hoe meer verbindingen je kunt maken. Een vierlagenbord heeft vier conductieve lagen, met isolerende lagen ertussen. Het samenstellen van een PCB vereist een beetje technische kennis, dus lees op over de terminologie als je er voor het eerst een samenstelt. Je kunt kiezen voor een professionele PCB-productiedienst of PCB-leverancier.

Of je een microcontroller of een FPGA in je PCB gebruikt, moet afhangen van verschillende factoren, waaronder:

• Het benodigde complexiteitsniveau.
• Je expertise-niveau.
• Je budget, vooral als je in bulk moet kopen.
• Retrospectieve wijzigingen die je misschien moet maken.

Het Benodigde Complexiteitsniveau

FPGA's kunnen meerdere regels code tegelijkertijd uitvoeren, wat onafhankelijke, parallelle processen mogelijk maakt. Voor hooggeavanceerde toepassingen is deze capaciteit een noodzaak. Een FPGA kan ingewikkelder invoeren aan en gelijktijdige operaties uitvoeren. Het nadeel is dat FPGA's perfecte timing en nauwkeurigheid vereisen om correct te functioneren. Een miniscule fout kan het hele systeem onbruikbaar maken.

In tegenstelling tot FPGA's lezen microcontrollers slechts één regel code tegelijk, en verwerken ze commando's sequentieel. Hoewel dit kan leiden tot knelpunten, heeft het zijn voordelen. Omdat ze minder complex zijn, zijn microcontrollers eenvoudiger te programmeren en herprogrammeren met een proef-en-foutmethode. Voor eenvoudige toepassingen kan een FPGA ingewikkelder zijn dan nodig, en programmeren harder maken dan nodig is.

Als er een fout gemaakt wordt in de programmering van een FPGA, zijn reparaties veel complexer. Dit brengt ons bij ons volgende punt: je keuze tussen een FPGA en een microcontroller hangt af van je expertise-niveau.

Je Expertise-niveau

In eenvoudige termen: een FPGA is niet de juiste keuze voor een beginner. Hardwarebeschrijvingstalen vragen meer tijd en ervaring om te leren dan assemblertalen. Een hogere mate van aanpassing betekent dat meer vaardigheid vereist is. Als je veel ervaring hebt met computeringenieurwesen, biedt een FPGA een aantrekkelijk niveau van aanpasbaarheid.

Je Budget

Houd er rekening mee dat FPGA's in de initiële kost duurder zijn dan microcontrollers. Als je iets simpels wilt programmeren, zoals een automatisch dimmend licht of een temperatuursensor, is een relatief kosteneffectieve microcontroller wellicht de betere optie.

Hoewel hun initiële kosten hoger zijn, kunnen FPGA's later kosten verlagen – vooral bij massaproductie van objecten die na de oorspronkelijke montage gewijzigd moeten worden.

Je Behoefte aan Retrospectieve Wijziging

Om wat voor reden dan ook, kan je ontdekken dat je de hardware van je toepassing moet wijzigen. In dat geval zul je blij zijn met een FPGA. Dit is deels waarom zoveel industrieën FPGA's prefereren. Wanneer wetten, standaarden, regelgeving of behoeften veranderen, is het veel minder duur en tijdrovend om bestaande FPGA's aan te passen dan volledig nieuwe hardwaresystemen te implementeren.

Meer Informatie via Millennium Circuits

Zowel FPGA's als microcontrollers zijn waardevol voor een breed scala aan doeleinden. Hun veelzijdigheid leent zich voor duizenden toepassingen, waarvan we er dagelijks gebruiken. Het begrijpen van de overeenkomsten en verschillen helpt je bepalen welke de beste optie is voor je doeleinden.

Hoewel ze uit dezelfde basisonderdelen bestaan, verschillen ze in aanpasbaarheid, complexiteit, prijs en vereist expertise-niveau. De keuze voor een van beide moet afhangen van meerdere factoren. Elke oplossing heeft unieke voordelen en potentiële nadelen.

Of je nu een doe-het-zelf-project ontwerpt, een prototype voor een nieuw product creëert of een technisch proces wilt stroomlijnen, één van deze geïntegreerde schakelingen zal nuttig zijn. Als je vragen hebt over FPGA- of microcontrollertechnologie op kaale PCB's, neem contact op met de experts van Millennium Circuits Limited voor meer informatie.