Field Programmable Gate Array (FPGA) vs microcontrôleur - Quelle est la différence ?

Une grille ou une grille programmable par l'utilisateur (FPGA) et un microcontrôleur sont similaires, mais pas identiques. Ce sont essentiellement des "petits ordinateurs" ou des circuits intégrés intégrés dans d'autres appareils et produits. La principale différence réside dans le titre. Les utilisateurs peuvent programmer le matériel des FPGA après fabrication, ce qui les rend "programmables sur le terrain", tandis que les microcontrôleurs ne sont personnalisables qu'à un niveau plus superficiel. De plus, les FPGA peuvent gérer des entrées parallèles tandis que les microcontrôleurs lisent une ligne de code à la fois.

Parce qu'ils permettent un plus grand niveau de personnalisation, les FPGA sont à la fois plus chers et plus difficiles à programmer. En revanche, les microcontrôleurs sont économiques mais beaucoup moins personnalisables. En savoir plus sur les similitudes et différences entre les microcontrôleurs et les FPGA. L'un n'est pas nécessairement meilleur que l'autre. Lorsque vous décidez lequel utiliser, tenez compte de plusieurs facteurs.

Qu'est-ce qu'un microcontrôleur ?

Un microcontrôleur (MCU) est essentiellement un petit ordinateur. Il possède tous les mêmes éléments que les autres ordinateurs, y compris une unité centrale de traitement (CPU), une mémoire vive (RAM) et une entrée Contrairement à un ordinateur de bureau, qui peut exécuter des milliers de programmes différents, un microcontrôleur est un appareil spécialisé qui exécute un programme.

Il est conçu pour faire une chose de manière répétée, automatiquement ou à la demande de l'utilisateur. Il est intégré dans un autre appareil, qu'il s'agisse d'un produit grand public, d'un fabricant, d'un produit médical ou d'un autre type de produit. Il fonctionne à faible consommation d'énergie — sa consommation d'énergie est mesurable en milliampères. Par conséquent, les microcontrôleurs ont tendance à être abordables. Cependant, le prix de l'appareil dans lequel il est intégré peut varier considérablement.

Vous trouvez des microcontrôleurs tout autour de vous dans votre vie quotidienne. Voici quelques-uns des appareils grand public dans lesquels un microcontrôleur est intégré :

• Claviers
• Moniteurs
• Imprimantes
• Copieurs
• Télécopieurs
• Téléphones
• Télécommandes de télévision
• Micro-ondes
• Lave-linge et sèche-linge
• Arroseurs de pelouse
• Jouets pour enfants

Outre les articles de consommation, les microcontrôleurs sont également intégrés dans les appareils suivants :

• Feux de circulation
• Systèmes de contrôle moteur de voiture
• Outils électriques
• Dispositifs médicaux implantables

Ce ne sont là que quelques exemples :les microcontrôleurs sont intégrés à toutes sortes d'appareils sur lesquels nous comptons dans la société moderne. Chaque microcontrôleur a un objectif spécifique et répétitif. Il peut fonctionner automatiquement à l'aide d'un système de contrôle par rétroaction , comme c'est le cas avec les feux de signalisation. Ou bien, il peut fonctionner au niveau des signaux d'entrée de l'utilisateur, comme appuyer sur un interrupteur ou appuyer sur un bouton. Ce dernier concept s'applique à votre four à micro-ondes, à votre lave-linge et à la télécommande de votre téléviseur.

Qu'est-ce qu'un tableau de grille programmable sur le terrain ?

Une grille ou une grille programmable sur site est un peu plus compliquée qu'un microcontrôleur. La plupart du temps, une puce est préprogrammée. En tant qu'utilisateur, vous pouvez changer de logiciel, mais pas Cela nous amène à l'élément déterminant d'un FPGA :vous, l'utilisateur, pouvez configurer son matériel après l'achat.

Les ingénieurs trouvent cela particulièrement utile pour le prototypage de leurs propres circuits intégrés spécifiques à l'application. En fait, Intel utilise une forme de FPGA pour rationaliser son propre processus de prototypage. Les FPGA sont également utiles car les dispositifs dans lesquels Les FPGA sont intégrés et peuvent être modifiés sans avoir besoin d'un tout nouveau matériel.

Selon l'exemple donné par "Les FPGA pour les nuls", les réglementations pourraient changer pour exiger que les caméras de recul des véhicules fonctionnent plus rapidement. Si ces caméras fonctionnent sur des FPGA, les fabricants peuvent effectuer ce changement sans installer de coûteux , tout nouveau matériel. Ils peuvent simplement reprogrammer le FPGA dans la caméra de recul de chaque voiture. Les voitures qui sont déjà sur la route peuvent être modifiées plutôt que rendues obsolètes.

Comment ça marche ?

Les FPGA ont un "tableau" de circuits matériels intégrés - ces tableaux sont des groupes de blocs logiques programmables. Lors de la fabrication, un FPGA n'a pas été configuré pour avoir une fonction particulière. Au lieu de cela, l'utilisateur peut configurez-le et reconfigurez-le ultérieurement comme bon vous semble.

L'utilisateur fait cela en utilisant un langage de description de matériel (HDL). Un FPGA a des blocs logiques, comme AND et XOR, que l'utilisateur peut assembler avec des interconnexions. Les FPGA modernes ont de nombreuses portes logiques et Blocs de RAM, afin qu'ils puissent prendre en charge des calculs complexes. Certains FPGA ont également des convertisseurs analogique-numérique ou des convertisseurs numérique-analogique, similaires aux matrices analogiques programmables sur le terrain (FPAA).

En quoi ils sont similaires

Les FPGA et les microcontrôleurs ont le même objectif de base :ils sont tous deux conçus de manière à permettre à un fabricant ou à un utilisateur final de déterminer leur fonction. Ils exécutent tous deux des applications spécifiques et sont intégrés dans d'autres qu'il s'agisse d'un feu de circulation ou d'une machine à laver. Cette polyvalence est la raison pour laquelle vous pouvez les trouver partout autour de vous. Tout ce que nous faisons est plus facile grâce à ces petits circuits intégrés.

Pour un œil non averti, ils se ressemblent à peu près. Les deux sont des puces plates, carrées et minuscules entourées de broches programmables. Ce sont essentiellement des ordinateurs miniatures, programmés dans un but distinct. Pour cela Pour cette raison, ni un FPGA ni un microcontrôleur ne peuvent servir d'ordinateur personnel ou de bureau. Au lieu de cela, ils suivent des commandes pour exécuter une fonction à différents niveaux de complexité.

Composants de base

Ces dispositifs présentent plusieurs similitudes fondamentales. En fait, ils sont constitués des mêmes composants de base. Un FPGA et un microcontrôleur sont tous deux des circuits intégrés qui fonctionnent à l'aide de la logique informatique et du binaire.

Un circuit intégré est un ensemble de circuits électroniques sur une puce plate, constituée d'un matériau semi-conducteur - souvent du silicium. Il peut effectuer des calculs et stocker des données. Les circuits intégrés utilisent une technologie numérique ou analogique - comme mentionné ci-dessus, certains FPGA peuvent convertir entre les deux. La technologie numérique utilise une logique binaire, tandis que la technologie analogique détermine une fonction linéaire d'une entrée pour calculer une sortie.

Ce concept de base, l'entrée déterminant la sortie, décrit le fonctionnement de tous les ordinateurs. La technologie numérique intègre un système logique à deux valeurs, ou binaire :un ou zéro, activé ou désactivé, oui ou non. C'est important de comprendre les bases de la logique informatique lors de la programmation d'un microcontrôleur ou d'un FPGA.

Personnalisation

De plus, les FPGA et les microcontrôleurs sont programmables après la production dans une certaine mesure, ce qui signifie qu'un fabricant ou un utilisateur final peut concevoir leur fonction et les intégrer selon les besoins. C'est pourquoi ces appareils ont tant de applications dans un large éventail d'industries.

La mesure dans laquelle vous pouvez personnaliser un FPGA le distingue, c'est pourquoi ceux-ci sont plus utiles pour les applications complexes et hautement techniques. D'un autre côté, un microcontrôleur est meilleur pour les applications plus simples.

En quoi ils sont différents

La principale différence entre un FPGA et un microcontrôleur est le niveau de personnalisation et de complexité. Leur prix et leur facilité d'utilisation varient également. Essentiellement, un FPGA permet une plus grande personnalisation et des processus plus complexes, car ainsi que des modifications rétroactives du matériel. Un utilisateur a besoin de plus de compétences et de savoir-faire pour utiliser un FPGA.

Alors que les FPGA ont leurs avantages, les microcontrôleurs coûtent moins cher et sont plus faciles à utiliser. La plupart des amateurs ou des débutants tireraient profit de l'achat de microcontrôleurs, tandis que les sociétés d'ingénierie et les fabricants peuvent préférer les FPGA.

Microcontrôleurs

Les caractéristiques déterminantes des microcontrôleurs incluent :

• Ils sont faciles à utiliser : Toute personne ayant une compréhension de base du codage peut programmer un microcontrôleur. Vous pouvez programmer un microcontrôleur à l'aide d'un langage d'assemblage tel que Javascript ou Python, que vous pouvez apprendre vous-même via des cours en ligne.
• Ils sont abordables : Parce qu'ils sont plus simples à produire en masse, le coût initial est inférieur pour un microcontrôleur que pour un FPGA.
• Ils ne sont pas toujours idéaux pour les applications complexes : Le processeur dédié d'un microcontrôleur gère toutes les entrées et sorties. En conséquence, des goulots d'étranglement peuvent se produire car les processus doivent attendre que d'autres soient résolus. Parce qu'ils ne permettent pas de fonctions parallèles, les microcontrôleurs conviennent mieux à des fins plus simples.
• Ils sont idéaux pour les applications simples : Pensez à votre machine à laver. Après avoir mis vos vêtements, vous personnalisez deux ou trois paramètres, puis vous appuyez sur Start. De même, votre souris d'ordinateur n'a besoin de savoir comment interpréter que quelques entrées - défilement vers le haut, défilement vers le bas, clic gauche et clic droit. Pour des applications simples et immuables comme celles-ci, un microcontrôleur est idéal.

FPGA

Certaines caractéristiques déterminantes des FPGA incluent :

• Ils nécessitent plus de compétences pour être utilisés : Vous aurez besoin de plus qu'une compréhension de base du langage de codage pour programmer un FPGA. En plus de la connaissance d'un langage de codage, vous devrez être capable de suivre des quantités massives de variables. Vous devrez également comprendre un langage de description de matériel. Concevoir et reconcevoir du matériel n'est pas une tâche pour les débutants.
• Ils permettent plus de parallélisme : Un FPGA possède des milliers de blocs logiques, que vous pouvez tous programmer. Vous pouvez créer des processus indépendants les uns des autres, ce qui réduit les cas de goulot d'étranglement comme avec les microcontrôleurs.
• Ils permettent un niveau de personnalisation plus élevé : En termes simples, si vous savez ce que vous faites, vous pouvez faire beaucoup plus avec un FPGA qu'avec un microcontrôleur. Si vous souhaitez programmer quelque chose de compliqué, vous aurez besoin de plus de possibilités de personnalisation que ce qu'un microcontrôleur offre.
• Ils ont tendance à coûter plus cher : Un inconvénient des FPGA est qu'ils ont tendance à être plus chers que les microcontrôleurs. Malgré des coûts initiaux plus élevés, ils peuvent faire économiser de l'argent aux industries qui pourraient avoir besoin d'apporter des modifications rétroactives. Pensez à l'exemple de la caméra de recul.
• Ils sont idéaux pour les applications plus complexes : Étant donné que les FPGA permettent des processus parallèles, vous pouvez implémenter plus d'entrées avec un FPGA qu'avec un microcontrôleur, sans vous heurter à un problème de goulot d'étranglement. Cela les rend idéales pour les opérations plus complexes.
• Ils permettent une modification ultérieure : L'un des principaux avantages d'un FPGA est que le matériel lui-même peut être modifié après sa programmation initiale. Pour cette raison, vous pouvez modifier la fonction d'un appareil sans remplacer complètement son matériel. Cela est plus rentable à long terme, en particulier pour les industries de production de masse.

Dois-je utiliser un microcontrôleur ou un FPGA dans ma carte de circuit imprimé ?

Une carte de circuit imprimé donne vie à un dessin schématique. Plus la carte comporte de couches conductrices, plus vous pouvez établir de connexions. Une carte à quatre couches aura quatre couches conductrices, avec des couches isolantes entre. L'assemblage d'un circuit imprimé nécessite un minimum de connaissances techniques, alors lisez le jargon si vous en assemblez un pour la première fois. Vous pouvez choisir de vous fier à un service de production de circuits imprimés professionnel ou à un fournisseur de circuits imprimés.

Que vous utilisiez un microcontrôleur ou un FPGA dans votre PCB devrait dépendre de plusieurs facteurs, notamment :

• Le niveau de complexité nécessaire.
• Votre niveau d'expertise.
• Votre budget, surtout si vous devez acheter en gros.
• Modifications rétroactives que vous devrez peut-être apporter.

Le niveau de complexité nécessaire

Les FPGA peuvent exécuter plusieurs lignes de code à la fois, permettant des processus indépendants et parallèles. Pour les applications très avancées, cette capacité est une nécessité. Un FPGA peut gérer des entrées plus complexes et peut effectuer des opérations simultanées . L'inconvénient est que les FPGA nécessitent une synchronisation et une précision parfaites pour fonctionner correctement. Une petite erreur peut rendre l'ensemble du système inutile.

En revanche, les microcontrôleurs ne lisent qu'une ligne de code à la fois, traitant les commandes dans l'ordre. Bien que cela puisse entraîner un problème de goulot d'étranglement, cela a ses avantages. Parce qu'ils sont moins compliqués, Les microcontrôleurs sont plus faciles à programmer et à reprogrammer à l'aide d'une méthode d'essais et d'erreurs. Pour des applications simples, un FPGA peut être plus compliqué que nécessaire et rendre la programmation plus difficile qu'elle ne devrait l'être.

Si une erreur est commise dans la programmation d'un FPGA, les réparations sont beaucoup plus complexes. Cela nous amène à notre point suivant, à savoir que votre choix entre un FPGA vs un microcontrôleur devra dépendre de votre niveau d'expertise.

Votre niveau d'expertise

En termes simples, un FPGA n'est pas le bon choix pour un débutant. Les langages de description de matériel prennent plus de temps et d'expérience à apprendre que les langages d'assemblage. Un plus grand niveau de personnalisation signifie que plus de compétences sont nécessaires. Si vous avez beaucoup d'expérience en ingénierie informatique, un FPGA vous offrira un niveau de personnalisation intéressant.

Votre budget

Gardez à l'esprit que les FPGA ont tendance à être plus chers dans leur coût initial que les microcontrôleurs. Si vous cherchez à programmer quelque chose de simple, comme une lumière à gradation automatique ou un capteur de température, un un microcontrôleur relativement rentable pourrait être la meilleure option.

Bien que leur coût initial soit plus élevé, les FPGA peuvent réduire les dépenses ultérieurement, en particulier pour les objets produits en série qui peuvent devoir être modifiés après l'assemblage d'origine.

Votre besoin de modification rétroactive

Pour un certain nombre de raisons, vous devrez peut-être modifier le matériel de votre application. Dans ce cas, vous serez heureux d'avoir un FPGA. C'est en partie pourquoi tant de les industries préfèrent les FPGA. Lorsque les lois, les normes, les réglementations ou les besoins changent, il est beaucoup moins coûteux et fastidieux de modifier les FPGA existants plutôt que de mettre en œuvre de tout nouveaux systèmes matériels.

En savoir plus en contactant Millennium Circuits

Les FPGA et les microcontrôleurs sont utiles pour une grande variété d'utilisations. Leur polyvalence les prête à des milliers d'applications, dont certaines que nous utilisons chaque jour. Comprendre les similitudes et les différences entre eux aidera vous déterminez quelle est la meilleure option pour vos besoins.

Bien qu'ils se composent des mêmes composants de base, ils diffèrent par leur niveau de personnalisation, leur complexité, leur prix et le niveau d'expertise requis. Le choix de l'un par rapport à l'autre doit dépendre de plusieurs facteurs. Chacun présente des avantages uniques et des inconvénients potentiels.

Que vous conceviez un projet de bricolage, créiez un prototype pour un nouveau produit ou cherchiez à rationaliser un processus technique, l'un de ces circuits intégrés est forcément utile. Si vous avez des questions sur la technologie FPGA ou microcontrôleur utilisée sur les circuits imprimés nus, contactez les experts de Millennium Circuits Limited pour plus d'informations.