FPGA ve Mikrodenetleyiciler-ihtiyaçlarınıza daha uygun hangisi - Devre Kartı İmalatı ve PCB Montajı Anahtar Teslimi Hizmetler

Etkileşimli ve yerleşik sistemlerinizi oluşturmayı seviyor musun

FPGA ve mikro denetleyiciler, elektrik mühendislerinin ya da sektör meraklılarının en sık kullandığı iki üründür İkisi de bazı işlevleri gerçekleştirmek için programlanabilir Eğer temel bilgiyi biliyorsanız, olasılıkların sınırsız olduğunu göreceğiz Ama başlamadan önce, aralarındaki farkı biliyor musun

FPGAs, mikro işlemciler ve mikro denetleyiciler arasındaki farkı anlamak, projeniz için doğru aygıtı seçmek için önemlidir

Programınızın başarılı ve verimli olması için çeşitli bileşenlerin farklılıklarını açıklayan derin bir kılavuz hazırladık

İç kapasite

1, FPGA

2. Mikro denetleyiciler

3, Mikroişlemciler ve Mikrodenetleyiciler

4, FPGA ve Mikrodenetleyici

5, FPGA ve mikro denetleyicinin güç tüketimi arasındaki bağlantı

6. Tartışma

1, FPGA

1.1 FPGA’nın nesi vardır

FPGA, yerinde programlanabilir bir kapı dizisinin kısaltmasıdır Mühendisler veya tasarımcılar çeşitli görevleri gerçekleştirmek için üretimden sonra programlayabilirler

FPGAs programlanabilir mantıksal bloklar ve bağlantılı çerçeveler içerir ve bunları yeniden kablolamak için yeniden yapılandırılabilir Mantıksal kapılar farklı yapılandırma bağlantılarını kullanabilir, böylece birbirlerine bağlanabilirler XOR ve and gibi mantıksal blokları ve güvenli mantıksal kapıları yapılandırarak karmaşık birleştirme işlevleri gerçekleştirebilirsiniz

Ayrıca, tam depolama modülleri ve basit tetikleyiciler de dahil olmak üzere FPGA’da depolama bileşenlerini de bulabilirsiniz

FPGAs arabalar, veri merkezleri, sağlık ekipmanları, görüntü ve video işleme araçları, kablolu iletişim ve daha fazlası için uygulanır

Şekil 1 FPGA ve Mikrodenetleyici

1.2 FPGA programlaması

FPGA programlaması, VHDL ve Verilog gibi donanım tanımlama dillerini kullanarak IC’yi yapılandırma veya yeniden yapılandırma işlemidir FPGAs, mantıksal blokları ve bağlantıları bağlayarak belirli işlevleri gerçekleştirebilir

FPGA Programlama Dili

FPGA’nın programlama dili, donanım açıklaması dili olarak bilinir, çünkü donanım tasarlamak veya tanımlamak için kullanılır FPGAs programlaması için yaygın olarak kullanılan iki dil: VHDL ve Verilog HDL

Çok yoğun proteinler

ABD Savunma Bakanlığı VHSIC (Ultra Hızlı Tümleşik Devreler) dilini geliştirdi 80’lerde bu dil üzerinde çalıştılar ve yüksek hızlı devreler yarattılar 1987 yılında IEEE standartları 1076 olarak kabul edildi

Analog karışım ve dijital sinyal devreleri tasarlamak için yaygın olarak kullanılır

Verilog HDL

D. Womk bu dili yarattı 1984 yılında, sarı, P. Goel ve P. Moorby bir mantıksal simülatörde kapı çalıştırıcılarını simüle ettiler Cadence 1990 yılında projeyi devraldı ve 1995 yılında IEEE Standartları 1364’ü satın aldı

Dijital devreleri doğrulamak ve tasarlamak için kullanılır ve analog veya karıştırılmış sinyal devreleri

1.3 FPGA Kartı

FPGAs, belirli görevleri gerçekleştirmek için kullanılan tümleşik devrelerdir Bağımsız bir ürün olarak FPGA satın alabilir veya simülasyon ve geliştirme amaçları için bir FPGA plakası satın alabilirsiniz

FPGA panelleri çalışmanızı kolaylaştırır ve ek çevre birimleri satın almanıza gerek kalmaz Paneller, görevleri gerçekleştirmek için RAM ve ROM ile harici depolama formlarına sahiptir Ayrıca anahtarları, led’leri, ayak genişletme konektörlerini, tetikleyicileri ve gerekli I/O bağlantı noktalarını bulabilirsiniz

FPGA panelleri satın almak ayrı donanımlara yatırım yapmaktan daha verimlidir

1.4 FPGA Eğitim Programı

Dijital mantık tasarımını anlamanız ve mantıksal kapılar, zamanlama mantıksal devreler ve kombinasyon mantıksal devreler gibi kavramları anlamanız yardımcı olur Ardından Verilog veya VHDL programlama dilini öğrenebilirsiniz ve FPGAs’nızı yapılandırabilirsiniz

Yardıma ihtiyacınız varsa, bir sürü çevrimiçi videonuz adım adım adım adım adım yönergeleri almak için kullanılabilir İnternette FPGA programlamayı öğrenme kılavuzları ve eğitim programları vardır

Şimdi, bir sonraki bölümde mikrodenetleyiciler hakkında konuşacağız

2. Mikro denetleyiciler

Bilgisayarlar gibi mikro denetleyiciler belli görevleri gerçekleştirmek için RAM, ROM, I/O bağlantı noktalarına ve diğer çevre birimlerine sahiptir Arduino mikrodenetleyicileri ve Pic mikrodenetleyicileri gibi farklı mikro denetleyiciler bulabilirsiniz

Şekil 2 FPGA ve Mikrodenetleyici

PIC Mikrodenetleyici

Mikrochip Teknolojisi General Instrument tabanlı PIC1650 Üretim Mikrodenetleyicisi Önceki sürümler 1976 yılında yayınlandı ve 2013 yılında 12 milyar cihazı sattı

Mikrodenetleyiciler yeniden programlanabilir ve flash bellek kullanarak depolanabilir Mikrodenetleyiciler farklı modellere sahiptir. Modern mikrodenetleyiciler dijital sinyal işleme talimatlarıyla güçlü çipleri kullanır

6’dan 144’e kadar farklı ayak bileşenleri satın alabilirsiniz Ayrıca, iletişim bağlantı noktaları, USB, I/O çubukları ve ADC ve DAC modülleri için gerekli bütçeleri de içerir Şirketinizin sağladığı yazılımları kullanarak mikrodenetleyicileri programlayabilirsiniz

Mikrodenetleyici programlaması

Mikrodenetleyiciler çeşitli derleme dillerinde çalışabilir Şu anda JavaScript, Python ve C gibi gelişmiş programlama dilleri de kullanılır Bazı diller amaçlı olarak tasarlanmıştır, diğerleri C gibi genel bir programlama dilidir

Ortak dil bazı kısıtlamaları olabilir ancak mikro denetleyicilerin benzersiz özelliklerini destekler Üreticiler kullanıcılar için bir programlama ortamı yayınlar

Bir sonraki bölümde mikroişlemciler ve mikrodenetleyiciler arasındaki farkı göreceğiz

3, Mikroişlemciler ve Mikrodenetleyiciler

Çoğu insan mikroişlemci ve mikrodenetleyici terimlerini değiştiriyor ama bunlar tamamen farklı iki şey İkisinin de gerçek zamanlı etkinlikler için tasarlanmış bir benzerlik olduğunu görebilirsiniz

Mikroişlemciler ve mikrodenetleyiciler yalnızca görsel olarak ayırt edilemez Kullanıma ve işlevselliğine bağlı olarak, pazarda 6-100 dikişten 100 dikiş arasında çeşitli sürümler bulabilirsiniz

Şekil 3:FPGA ve Mikrodenetleyici

3.1 Mikroişlemciler ve Mikrodenetleyiciler arasındaki bölge

Mikroişlemciler, işlemci gücüne sahip yerleşik bir bilgisayar veya CPU’nun entegre devresidir Pentium 3, 4, i5, core two duos ve bilgisayarınızdaki diğer işlemciler gibi

Çipte RAM, ROM ve diğer çevre birimleri bulamazsınız Tasarımcılar, işlevselliği gerçekleştirmek için çipin dışına çevre birimleri sağlar

Mikrodenetleyiciler, RAM, ROM, zamanlayıcı, I/O bağlantı noktaları ve diğer çevre birimleri içeren bir bilgisayardır Dolayısıyla bunlara tek çipli bilgisayarlar veya mikro bilgisayarlar denir Bugün birçok mikro denetleyici farklı sürümlerde çeşitli özelliklere sahiptir

Çevre birimleri nedeniyle mikroişlemciler daha büyüktür, mikro denetleyiciler daha küçüktür Mikroişlemciler bilgi işlem sisteminin çekirdeğini oluşturur ve mikro denetleyiciler yerleşik sistemleri çalıştırır

Mikrodenetleyiciler giriş ve çıkış tanımlanmış olan belirli görevleri gerçekleştirmek için tasarlanmıştır Uygulamanın özelliklerine bağlı olarak bazı işlemler gerçekleştirir ve görevler oluşturur Bu görevlerin özellikleri I/O bağlantı noktalarını, RAM ve ROM kullanımını önemli ölçüde azaltır ve tek bir çip üzerinde çalışabilir

Avantajlar arasında uzaktan kumanda, cep telefonu, klavye, kalem sürücüsü, dijital kamera gibi aygıtlarda maliyetleri düşürme de bulunmaktadır

Belirli görevler için mikroişlemcileri kullanmazsınız; oyun, yazılım, web ve video düzenleme gibi çok çeşitli görevler için kullanırsınız Bu durumda, giriş ve çıktı arasındaki ilişki hiçbir şekilde tanımlanmamıştır

Mikroişlemciler karmaşık görevler için tasarlanmıştır ve mikrodenetleyicilerden daha yüksek saat hızları sağlar Modern mikroişlemciler 1 GHz’den daha fazla olabilir ve mikro denetleyiciler 30 ile 50 MHz arasında maksimum frekanslara ulaşabilirler

Diğer fark maliyetle ilgili Mikroişlemcilerden çok daha düşük bir fiyata mikrokontrolü alırsınız Ancak, mikroişlemcilerin yerine mikro işlemciler kullanılması uygun değildir; mikroişlemcilerin yerine mikroişlemciler uygulamaları pahalı hale getirir

Mikrodenetleyiciler CMOS teknolojisini kullanarak ayarlanmış tutucular olduğundan daha düşük maliyetler de vardır Mikroişlemcilerin çalışması için birden çok harici bileşen gerekir ve sonunda çok pahalı bir işlemci olur

Mikrodenetleyicilerin enerji açısından verimli bir sistemi vardır ve mikroişlemcilerin böyle bir özelliği yoktur Mikroişlemciler, dış bileşenlerin katkılarına ihtiyaçları olmadığından mikroişlemcilere kıyasla daha az güç tüketir

Harvard mimarisi, belirli bilgi depolama ve programlama özelliklerine sahip mikro denetleyiciler için tasarlanmıştır Mikroişlemciler Von Neumann mimarisi ile tasarlanmıştır ve bellek eşdeğer bellek modülüne aktarılır

Mikroişlemciler mikrodenetleyiciler kadar kayıt yapmak zorunda değiller Öncelikle bellek tabanlı işlemler vardır, sonra da yazılımı kolaylaştırır

Mikroişlemciler ve mikrodenetleyiciler arasındaki farkı tartıştık Şimdi, FPGA ile mikro denetleyiciler arasındaki farkları inceleyeceğiz

4, FPGA ve Mikrodenetleyici

Mikrodenetleyiciler ve FPGAs, sanayiciler ve elektrik mühendisleri tarafından kullanılan en önemli iki araçtır FPGA ve mikro denetleyiciler hakkında konuşmak gerekir

Ama öncelikle, benzerliklere bakacağız Her ikisi de çıktı değerlerini ve daha geniş bir anlamda çıktı değerlerine dayalı efektleri izlemek için tasarlanmıştır Mikrodenetleyici mimarisi oluşturmak için FPGA’yı kullanabilirsiniz ancak bunun tersine mümkün değildir

Şekil 4 FPGA ve Mikrodenetleyici

FPGA ve mikro denetleyicilerin bölgesi

Neredeyse her bilgisayar aygıtı görevleri gerçekleştirmek ve etkileşim kurmak için yerleşik mikro denetleyicilere sahiptir Bellek, giriş çık30 Diğer donanımları temsil etmek için programlanabilir

FPGA, mantıksal kapıları programlayarak görevleri gerçekleştirebilen milyonlarca mantıksal kapıya sahip bir tümleşik devredir FPGAs uygulamaları için RAM ve ROM gibi çevre birimleri gerekir

Mikrodenetleyiciler C, C++’lar gibi sürekli komutları gerçekleştirmek için yazılım programlarını kullanır FPGA, mantıksal devrelere bağlanır ve VHDL ve Verilog gibi programlama çözümlerini kullanır

Mikrodenetleyicinin işlemci gücü sınırlıdır ve işlemci döngüsü kapasitesine dayalıdır FPGAs Alanı Sınırlıdır İstediğiniz kodlama büyüklüğünü gerçekleştirmek için daha fazla mantıksal devre oluşturmanız gerekir

FPGAs özellikleri sayesinde daha genel ve esnek Bunlar” yerinde programlanabilir”-herhangi bir mantıksal görevi gerçekleştirmek için FPGA’yı yeniden programlayabilirsiniz ve kullanılabilir mantıksal kapılara yerleştirebilirsiniz Mantıksal kapılar gerektiğinde programı değiştirmek ve farklı görevler gerçekleştirmek için birden çok kez yeniden kablolanabilir

Mikrodenetleyiciler talimatları ve devreler içeren görevleri gerçekleştirebilirler Programcılar kod geliştirirken bu kısıtlamalara uymalıdır

İkisi de talimatlar üzerinde farklı şekilde çalışıyor Mikrodenetleyici programın her satırını sırayla okur Bu da demek oluyor ki emirler sırayla işleniyor FPGAs siparişleri aynı anda işleyebilir ve belirli bir zamanda çok satırlı kod çalıştırabilir aynı zamanda devreler gibi kablolanıyorlar, böylece doğru paralel devreler elde edebilirsiniz

Ancak, mikro denetleyicilerde işlemci bir koddan diğerine geçer ve bir tür paralellik sağlar Mikro denetleyicilere aşağıdaki kodu yazmanın FPGAs’da yapmaktan daha kolay olduğunu göreceksiniz

FPGAs’nın paralel işleme gücü, sınırlı durum makinesini (FSM) kullanarak kesintileri etkili bir şekilde kontrol etmenizi sağlar Mikrodenetleyiciler için ISR’nin bir kesintiyi çözmek için ne kadar zaman harcadığını göz önünde bulundurmalısınız

FPGA’nın kablolarını kolayca yeniden yönlendirebilirsiniz Güç kaynağı açıldığında, FPGA’daki yapılandırmalar yapılandırılabilir mantıksal birimlere yüklenir FPGA’yı yeniden programlamak için donanımda hiçbir değişiklik yapmanıza gerek yok

Mikrodenetleyiciler programları çalıştırır ve normal görevleri gerçekleştirir Eğer devre kartının komut setini değiştirmek istiyorsanız, silikon entegre devrelerin düzenlenmesini değiştirmeniz gerekir

FPGAs, paralel verilerin yüksek hızlı işlenmesi için idealdir ve yüksek özelleştirilebilirlik özelliğine sahiptir Ancak, prototip işlemlerinin ve yapılandırmalarının karmaşık kusurları da vardır

Bir FPGA işlevi oluşturmak zaman alır, çünkü tüm kodu en baştan derlemeniz ve bunları makine diline çevirmeniz gerekir Mikrodenetleyiciler için, belirli görevleri gerçekleştirmek üzere hazır bir paket bulabilir ve gereksinimlerinize göre özelleştirebilirsiniz

Mikrodenetleyiciler yüksek hızlı sıralı verileri işlemek için basit kullanım ve yapılandırma Ancak, FPGAs’nın bazı özellikleri eksik Mikrodenetleyiciler daha esnek programlama için ancak donanım aracılığıyla özelleştirilemez

FPGA programlamasıyla uğraşırken dik bir öğrenme eğrisiyle karşılaşırsınız Geliştirme yapımınızı test etmek için bir denetleyici kullanabilirsiniz

Mikrodenetleyiciler ve FPGA arasındaki farklılıklarla çalışırken, güç tüketimini göz önünde bulundurmanız gerekir Bu konuyu bir sonraki bölümde konuşacağız

5, FPGA ve mikro denetleyicinin güç tüketimi arasındaki bağlantı

Birçok nedenden dolayı FPGAs mikrodenetleyiciden daha fazla güç tüketir Bu, verimli elektrik sistemleri yapmaya çalışan mühendisler için bir meydan okuma FPGAs yerleşik sistemlerin güç sınırlamalarını aşabilir ve tüm amaçlar için tasarlanmış değildir

FPGAs simülasyon ve prototipleme için kullanılır ancak ASICs gibi diğer bileşenlerden daha verimli değiller FPGA’yı yeniden programlayabilirsiniz ancak düzenleme kablolarının kısıtlamaları mantıksal kullanımı düşürür

Transistörler kullanılmadığı için yüksek güç tüketiyor Verimsiz saat ağacı ve uzatılmış sinyal yolları güç tüketiminin artmasına neden olur

FPGAs, mikro denetleyicilerin kapasitesini aşan yüksek hızlı görevleri destekler Bu nedenle, FPGAs güç tüketimi için optimize edilmemiştir FPGAs’ya kıyasla mikrodenetleyiciler sadece birkaç MHz hızında işler ve daha düşük güç tüketimi sağlar

Mikrodenetleyicilerde boş veya güç tasarrufu modları da bulabilirsiniz ve bunları birçok durumda sürdürülebilir bir seçim yapabilirsiniz Bazılarının uyku akımı 1 A’dan küçüktür ve saat hızı düşük olduğunda birkaç A akımı altında çalışabilir

Pazarda bu kadar düşük güç gereksinimleri olan bir FPGA yok İşte bu yüzden birçok FPGA sistemi, verimliliği artırmak için panellerde mikro denetleyiciler kullanır