FPGA vs mikrokontrolér vs mikroprocesor: Rozdíl a srovnání

Graf technologického růstu v elektronickém světě se potenciálně zvýšil. Naproti tomu integrované obvody proměnily svět elektroniky. Ať už jde o počítače, mobilní telefony nebo jiné domácí spotřebiče, ať si vzpomenete, staly se povinnou součástí domácnosti. To vše kvůli malým rozměrům a levným integrovaným obvodům (IC). Tři slavné integrované obvody, FPGA, mikrokontrolér a mikroprocesor, hýbou elektronickým světem kolem sebe.

Key Takeaways

1. FPGA jsou vysoce přizpůsobitelné, což umožňuje paralelní zpracování a přeprogramovatelné hardwarové konfigurace.
2. Mikrokontroléry integrují procesor, paměť a periferie do jednoho čipu, díky čemuž jsou ideální pro vestavěné systémy s nízkou spotřebou.
3. Mikroprocesory jsou vysoce výkonné, univerzální CPU, které vyžadují externí komponenty, jako je paměť a vstupní/výstupní zařízení.

FPGA vs mikrokontrolér vs mikroprocesor

FPGA jsou integrované obvody, které poskytují flexibilitu, ale mají omezený prostor. Mikroprocesor je elektronické zařízení, které provádí aritmetické a logické operace, ale má omezený výpočetní výkon. Mikrokontrolér je jeden integrovaný čip omezený na úlohu, ke které je zapojen.

FPGA je zkratka pro field-programmable gate array. Jedná se o integrovaný obvod s logickými hradly, který si uživatel může přeprogramovat podle svých požadavků. Proto se používá název field-programmable. The FPGA se konfiguruje pomocí jazyka popisu hardwaru (HDL).

Mikrokontrolér se také nazývá malý počítač na jediném IC čipu. Obsahuje jedno nebo více procesorových jader s pamětí a programovatelnými periferiemi. Myšlenkou návrhu mikrokontrolérů je jejich aplikace ve vestavěné podobě.

Mikroprocesor je také jednočipový počítačový procesor s řízením zpracování dat a logikou. Mikroprocesor řídí funkce vykonávané centrální procesorovou jednotkou. Obsahuje aritmetické, logické a řídicí obvody pro provádění požadovaných úkolů.

Srovnávací tabulka

Parametry srovnání	FPGA	Mikrokontrolér	Mikroprocesor
Provádění úkolů	FPGA provádí všechny úlohy paralelně	Mikrokontroléry provádějí úkoly jeden po druhém	Mikroprocesor provádí úlohy v pořadí
Periferní zařízení	Žádné vestavěné periferie, ale obsahuje logická hradla	Vestavěné periferie	Žádné vestavěné periferie
Flexibilita úkolů	Může vykonávat jakýkoli úkol	Provádí konkrétní úkoly	Provádí konkrétní úkoly
Hardwarová struktura	Nefixní	Opravena	Opravena
Procesní výkon	Vysoký	Střední	Omezený

Co je FPGA?

FPGA je zkratka pro pole programovatelné hradlové pole. Jedná se o integrovaný obvod používaný v mnoha elektronických zařízeních. Jak název prozrazuje, tyto integrované obvody jsou přeprogramovatelné. Uživatel si jej může nakonfigurovat podle svých požadovaných úkolů.

FPGA má více logických hradel. Ty mohou fungovat jako jednoduchá logická hradla, například AND a XOR, a mohou být také konfigurovány pro provádění složitých funkcí s kombinacemi. Většina FPGA obsahuje paměťové prvky.

FPGA mohou zahájit vývoj systémového softwaru paralelně s hardwarem. Mohou umožnit simulaci výkonu velmi brzy ve vývoji. Umožňují také četné systémové zkoušky a iterace návrhu před finální architekturou.

Uživatel ve formě jazyka popisu hardwaru HDL nebo schematického návrhu definuje chování FPGA. HDL je vhodný pro velké konstrukce, zatímco schéma umožňuje snadnější vizualizaci návrhu a jeho modulů.

Návrh FPGA je simulován na několika stupních v toku návrhu. FPGA lze použít k vyřešení jakéhokoli vyčíslitelného problému. Pro některé aplikace jsou rychlejší, protože mají paralelní fungování.

Co je mikrokontrolér?

Mikrokontrolér je jednočipový integrovaný obvod. V čipu je příliš zahrnuta paměť jako feroelektrická RAM, NOR flash nebo OTP ROM. Malé množství paměti RAM lze také nalézt.

Mikrokontroléry jsou určeny pro vestavěné aplikace. Ty se používají v automaticky ovládaných zařízeních. Například implantovatelné lékařské přístroje, řídicí systémy automobilových motorů, spotřebiče, kancelářské stroje, dálkové ovladače, hračky, elektrické nářadí a další vestavěná zařízení.

 Mikrokontroléry mají vestavěnou paměť a vstupní/výstupní zařízení, díky čemuž jsou zmenšené a hospodárné pro ovládání více zařízení. Mikrokontroléry jsou oblíbené a ekonomické při sběru dat, snímání a ovládání jako okrajová zařízení.

Mikrokontroléry mají nízkou spotřebu energie. Mohou pracovat na frekvencích až 4 kHz. Obecně si mohou zachovat svou funkčnost během čekání na událost. Jsou vhodné pro baterie s dlouhou výdrží. Pouze některé mikrokontroléry mají funkci digitálně-analogového převodníku (DAC). To umožňuje procesoru vydávat analogové signály nebo napěťové úrovně.

Co je mikroprocesor?

Mikroprocesor je počítačový čip s jedním nebo více integrovanými obvody. Dokáže interpretovat a provádět programovací instrukce a také provádět aritmetické operace.

Jedná se o hodinově řízený procesor, který přijímá binární data jako vstup, poté tato data zpracovává podle instrukcí uložených ve své paměti a dává výstup v binární podobě. Obsahují jak kombinační logiku, tak sekvenční digitální logiku.

Tyto integrované obvody jsou vyráběny vysoce automatizovaným procesem výroby kovových oxidů a polovodičů (MOS). Mají nízkou jednotkovou cenu a zvýšenou spolehlivost díky menším poruchám připojení.

Bylo mnoho položek, které nesouvisely s počítačem a stále měly mikroprocesory. Patří sem domácí spotřebiče, vozidla a jejich příslušenství, hračky, vypínače/stmívače světel, nářadí a nástroje, jističe elektrických obvodů, hlásiče kouře, baterie a audio/vizuální komponenty.

Vzhledem k tomu, že kapacita mikroprocesoru roste, téměř zastaraly ostatní formy počítačů na počítačovém trhu.

Hlavní rozdíly mezi FPGA a mikrokontrolérem a mikroprocesorem

1. FPGA je programovatelný obvod, zatímco mikrokontrolér a mikroprocesor nikoli.
2. FPGA může provádět mnoho úkolů podle požadavků uživatele, zatímco mikrokontrolér a mikroprocesor mohou provádět pouze specifikované úkoly nakonfigurované výrobcem.
3. Mikrokontroléry mohou být postaveny se systémem pro úsporu energie, zatímco mikroprocesory a FPGA takovou funkci postrádají.
4. FPGA se programují pomocí Vhdla mikrokontroléry jsou programovány pomocí C nebo C++ a mikroprocesory jsou programovány pomocí assembleru.
5. Spotřeba FPGA je nejvyšší ve srovnání s mikrokontroléry a mikroprocesory.

Reference

1. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6708541/
2. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141933199000630

Poslední aktualizace: 29. července 2023