Los conjuntos de puertas programables en campo (FPGA) y las unidades de microcontrolador (MCU) son dos tipos de circuitos integrados (CI) comúnmente comparados que se usan típicamente en sistemas integrados y diseño digital. Tanto los FPGA como los microcontroladores pueden considerarse “computadoras pequeñas” que pueden integrarse en dispositivos y sistemas más grandes.
Como procesadores, la principal diferencia entre FPGA y microcontroladores se cut back a la programabilidad y las capacidades de procesamiento. Si bien los FPGA son más potentes y versátiles, también son más caros. Los microcontroladores son menos personalizables, pero también menos costosos. En muchas aplicaciones, los microcontroladores son excepcionalmente capaces y rentables. Sin embargo, para ciertas aplicaciones exigentes o en desarrollo, como aquellas que requieren procesamiento paralelo, los FPGA son necesarios.
A diferencia de los microcontroladores, los FPGA ofrecen reprogramabilidad a nivel de {hardware}. Su diseño único permite a los usuarios configurar y reconfigurar la arquitectura del chip según la tarea. El diseño FPGA también puede manejar entradas paralelas simultáneamente, mientras que los microcontroladores solo pueden leer una línea de código a la vez. Una FPGA se puede programar para realizar las funciones de un microcontrolador; sin embargo, un microcontrolador no se puede reprogramar para funcionar como un FPGA.
¿Qué es una matriz de puertas programables en campo (FPGA)?
Introducidos por primera vez por el fabricante Xilinx en 1985, los FPGA son muy valorados por su versatilidad y potencia de procesamiento. Como resultado, son la opción preferida en muchas aplicaciones de computación de alto rendimiento (HPC), procesamiento de señales digitales (DSP) y creación de prototipos.
A diferencia de los circuitos integrados de aplicaciones específicas (ASIC) tradicionales, los FPGA están diseñados para configurarse (y reconfigurarse) “en el campo” una vez completado el proceso de fabricación inicial. Si bien la personalización es la oferta de mayor valor de los FPGA, cabe señalar que los FPGA no sólo permiten la programabilidad, sino que la requieren. A diferencia de los ASIC, los FPGA no son soluciones “listas para usar” y deben configurarse antes de su uso con un lenguaje de descripción de {hardware} (HDL), como verilog o VHDL. La programación de una FPGA requiere conocimientos especializados, lo que puede aumentar los costos y retrasar las implementaciones. Si bien algunos FPGA ofrecen memoria no volátil que puede retener instrucciones de programación cuando se apagan, normalmente los FPGA deben configurarse al inicio.
Beneficios de la FPGA
A pesar de estos desafíos, los FPGA siguen siendo útiles en aplicaciones que requieren alto rendimiento, baja latencia y flexibilidad en tiempo actual. Los FPGA son particularmente adecuados para aplicaciones que requieren lo siguiente:
Creación rápida de prototipos: los FPGA se pueden configurar rápidamente en múltiples tipos de circuitos digitales personalizados, lo que permite implementaciones, evaluaciones y modificaciones aceleradas sin la necesidad de procesos de fabricación costosos y que consumen mucho tiempo. Aceleración de {hardware}: las aplicaciones exigentes se benefician de las capacidades de procesamiento paralelo de la FPGA. Los FPGA pueden ofrecer importantes mejoras de rendimiento para tareas computacionales intensivas, como procesamiento de señales, criptografía y algoritmos de aprendizaje automático. Personalización: los FPGA son una solución de {hardware} versatile que se puede optimizar fácilmente para cumplir con los requisitos específicos del proyecto. Longevidad: los diseños basados en FPGA pueden beneficiarse de una vida útil de {hardware} más larga, ya que los FPGA se pueden actualizar y reconfigurar para satisfacer las demandas de proyectos y los estándares tecnológicos en evolución.
Componentes FPGA
Para lograr la reconfigurabilidad, los FPGA se componen de una serie de bloques lógicos programables interconectados por una estructura de enrutamiento programable. Los componentes principales de una FPGA típica son los siguientes:
Bloques lógicos configurables (CLB): los CLB proporcionan funcionalidad informática y pueden contener una pequeña cantidad de elementos lógicos primitivos, como puertas lógicas, pequeñas tablas de consulta (LUT), multiplexores y flip-flops para almacenamiento de datos. Interconexiones programables: formadas por segmentos de cables unidos por interruptores eléctricamente programables, estos enlaces proporcionan rutas de enrutamiento entre los diversos recursos FPGA, lo que permite diferentes configuraciones y la creación de circuitos digitales personalizados. Bloques de E/S (IOB): la interfaz entre una FPGA y otros dispositivos externos está habilitada mediante bloques de entrada y salida (E/S), que permiten a la FPGA recibir datos y controlar periféricos.
Casos de uso de FPGA
Versátiles por naturaleza, los FPGA son comunes en una amplia variedad de industrias y aplicaciones:
Aeroespacial y defensa: Al ofrecer un procesamiento paralelo de alta velocidad valioso para la adquisición de datos, los FPGA son la opción preferida para sistemas de radar, procesamiento de imágenes y comunicaciones seguras. Sistemas de management industrial (ICS): Los sistemas de management industrial utilizados para monitorear la infraestructura, como redes eléctricas, refinerías de petróleo y plantas de tratamiento de agua, utilizan FPGA que se pueden optimizar fácilmente para satisfacer las necesidades únicas de diversas industrias. En estas industrias críticas, los FPGA se pueden utilizar para implementar diversas automatizaciones y funciones de cifrado basadas en {hardware} para una ciberseguridad eficiente. Desarrollo de ASIC: los FPGA se utilizan a menudo en la creación de prototipos de nuevos chips ASIC. Automoción: el procesamiento de señales avanzado también hace que los FPGA sean adecuados para aplicaciones automotrices, incluidos sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), fusión de sensores y GPS. Centros de datos: los FPGA agregan valor a los centros de datos al optimizar servidores, redes e infraestructura de almacenamiento de alto ancho de banda y baja latencia.
Características FPGA
Núcleo de procesamiento: Bloques lógicos configurables Memoria: Interfaz de memoria externa Periféricos: Bloques de E/S configurables Programación: Lenguaje de descripción de {hardware} (VHDL, Verilog) Reconfigurabilidad: Lógica altamente reconfigurable y reprogramable
¿Qué es un microcontrolador?
Los microcontroladores son un tipo de ASIC compacto y listo para usar que contiene un núcleo (o núcleos) de procesador, memoria (RAM) y memoria de solo lectura programable y borrable (EPROM) para almacenar los programas personalizados que se ejecutan en el microcontrolador. Conocidos como una solución de “sistema en un chip (SoC)”, los microcontroladores son esencialmente pequeñas computadoras integradas en una sola pieza de {hardware} que se pueden usar de forma independiente o en sistemas integrados más grandes.
Los microcontroladores de consumo, como el Arduino Starter Package o el Microchip Expertise PIC, se pueden configurar utilizando lenguaje ensamblador o lenguajes de programación comunes (C, C++), y son los preferidos por aficionados y educadores por su accesibilidad rentable. Los microcontroladores también son capaces de manejar tareas más complejas y críticas y son comunes en aplicaciones industriales. Sin embargo, la disminución de la potencia de procesamiento y los recursos de memoria pueden limitar la eficacia del microcontrolador en aplicaciones más exigentes.
Beneficios del microcontrolador
A pesar de sus limitaciones, los microcontroladores ofrecen muchas ventajas, entre las que se incluyen las siguientes:
Diseño compacto: los microcontroladores integran todos los componentes necesarios en un único chip pequeño que ofrece un tamaño reducido y valioso en aplicaciones donde el tamaño y el peso son una prioridad. Eficiencia energética: Diseñados para funcionar con baja potencia, los microcontroladores son muy adecuados para dispositivos que funcionan con baterías y otras aplicaciones donde el consumo de energía es una preocupación. Rentable: los microcontroladores ofrecen una solución SoC completa que cut back la necesidad de periféricos y componentes adicionales. Los microcontroladores de uso normal y de bajo costo pueden reducir en gran medida los gastos generales del proyecto. Flexibilidad: aunque no son tan versátiles como los FPGA, los microcontroladores son programables para una amplia gama de aplicaciones diversas. Si bien no se pueden reprogramar a nivel de {hardware}, los microcontroladores se pueden reconfigurar, actualizar y optimizar fácilmente a nivel de software program.
Componentes del microcontrolador
Cuando la reprogramabilidad no es una prioridad, los microcontroladores autónomos ofrecen una alternativa compacta y capaz. Los siguientes son los componentes clave de un microcontrolador:
Unidad central de procesamiento (CPU): conocida coloquialmente como el “cerebro”, la unidad central de procesamiento (CPU) sirve como el componente central responsable de ejecutar instrucciones y controlar las operaciones. Memoria: Los microcontroladores contienen memoria volátil (RAM), que almacena datos temporales que pueden perderse si el sistema pierde energía, y memoria no volátil (ROM, FLASH) para almacenar el código de programación del microcontrolador. Periféricos: Dependiendo de la aplicación prevista, un microcontrolador puede contener varios componentes periféricos, como interfaces de entrada/salida (E/S), como temporizadores, contadores, convertidores analógico-digital (ADC) y protocolos de comunicación (UART, SPI, I2C). ).
Casos de uso de microcontroladores
A diferencia de los FPGA, los microcontroladores pequeños, asequibles y no volátiles son omnipresentes en la electrónica moderna y se implementan con frecuencia para tareas específicas, incluidas las siguientes:
Sistemas automotrices: los microcontroladores se utilizan en el management del motor, el despliegue de bolsas de aire y los sistemas de información y entretenimiento en el automóvil. Electrónica de consumo: los microcontroladores son fundamentales para los teléfonos inteligentes, televisores inteligentes y otros electrodomésticos, especialmente los dispositivos que se integran en el Web de las cosas (IoT). Automatización industrial: los microcontroladores son adecuados para aplicaciones industriales, como el management de maquinaria, sistemas de monitoreo y automatización de procesos. Dispositivos médicos: los microcontroladores suelen utilizarse en dispositivos que salvan vidas, como marcapasos, monitores de glucosa en sangre y herramientas de diagnóstico.
Características del microcontrolador
Núcleo de procesamiento: CPU fija Memoria: RAM y ROM/Flash integradas Periféricos: Interfaces de E/S integradas para programación: Software program (C, ensamblaje) Reconfigurabilidad: Actualizaciones de firmware limitadas
Diferencias clave entre FPGA y microcontroladores
Al comparar FPGA y microcontroladores, es importante considerar una serie de diferencias clave, incluida la arquitectura de {hardware}, las capacidades de procesamiento, el consumo de energía y los requisitos del desarrollador.
Estructura de {hardware} FPGA: interconexiones y bloques lógicos programables altamente configurables, que permiten circuitos digitales reprogramables y personalizados. Microcontrolador: Arquitectura fija con componentes predefinidos (CPU, memoria, periféricos) integrados en un único chip. Capacidades de procesamiento FPGA: el procesamiento paralelo avanzado permite múltiples operaciones simultáneas. Microcontrolador: Diseñados para procesamiento secuencial, los microcontroladores solo pueden ejecutar instrucciones una a la vez. Consumo de energía FPGA: Normalmente eat más energía que los microcontroladores. Microcontrolador: Optimizado para bajo consumo de energía, adecuado para aplicaciones alimentadas por baterías. Programación FPGA: Requiere conocimientos especializados en lenguajes de descripción de {hardware} para configurar y depurar. Microcontrolador: se puede programar utilizando lenguajes de desarrollo de software program, incluidos Javascript, Python, C, C++ y lenguajes ensambladores. Costo de FPGA: Al ofrecer mayor potencia, pero requiere habilidades avanzadas, el {hardware} FPGA suele ser más costoso con el costo adicional de un mayor consumo de energía y talento programador especializado. Microcontrolador: generalmente, una solución más rentable con disponibilidad estándar, menor consumo de energía y soporte para lenguajes de programación más accesibles. Versatilidad FPGA: El FPGA es mucho más versatile que el microcontrolador, lo que permite la personalización a nivel de {hardware}. Microcontrolador: si bien son adecuados para una amplia gama de aplicaciones, los microcontroladores solo ofrecen una personalización superficial en comparación con los FPGA.
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