Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) vs. Mikrocontroller: Was ist der Unterschied?

Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) und Mikrocontroller-Einheiten (MCUs) sind zwei Arten von häufig verglichenen integrierten Schaltkreisen (ICs), die in der Regel in eingebetteten Systemen und digitalem Design verwendet werden. Sowohl FPGAs als auch Mikrocontroller kann man als „kleine Computer“ betrachten, die in Geräte und größere Systeme integriert werden können.

Als Prozessoren besteht der Hauptunterschied zwischen FPGAs und Mikrocontrollern in der Programmierbarkeit und den Verarbeitungsfunktionen. FPGAs sind zwar leistungsfähiger und vielseitiger, aber auch teurer. Mikrocontroller sind weniger anpassbar, aber auch kostengünstiger. In vielen Anwendungen sind Mikrocontroller außergewöhnlich leistungsfähig und kostengünstig. Für bestimmte anspruchsvolle oder sich entwickelnde Anwendungen, z. B. solche, die eine parallele Verarbeitung erfordern, sind jedoch FPGAs erforderlich.

Im Gegensatz zu Mikrocontrollern bieten FPGAs eine Neuprogrammierung auf Hardwareebene. Ihr einzigartiges Design ermöglicht Benutzern die Konfiguration und Neukonfiguration der Chip-Architektur je nach Aufgabe. Das FPGA-Design kann auch parallele Eingaben gleichzeitig verarbeiten, während Mikrocontroller immer nur eine Codezeile auf einmal lesen können. Ein FPGA kann so programmiert werden, dass es die Funktionen eines Mikrocontrollers ausführt. Ein Mikrocontroller kann jedoch nicht so umprogrammiert werden, dass er als FPGA funktioniert.

FPGAs wurden erstmals 1985 vom Hersteller Xilinx eingeführt und werden aufgrund ihrer Vielseitigkeit und Verarbeitungsleistung sehr geschätzt. Daher sind sie eine bevorzugte Wahl für viele Anwendungen im Bereich Hochleistungsrechnen (HPC), digitale Signalverarbeitung (DSP) und Prototyping .

Im Gegensatz zu herkömmlichen anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) sind FPGAs so konzipiert, dass sie nach Abschluss des anfänglichen Fertigungsprozesses „vor Ort“ konfiguriert (und neu konfiguriert) werden können. Obwohl die benutzerdefinierte Anpassung der größte Vorteil von FPGAs ist, ist zu beachten, dass bei FPGAs die Programmierbarkeit nicht nur möglich, sondern sogar erforderlich ist. Im Gegensatz zu ASICs sind FPGAs keine „sofort einsatzbereiten“ Lösungen und müssen vor der Verwendung mit einer Hardwarebeschreibungssprache (HDL) wie Verilog oder VHDL konfiguriert werden. Die Programmierung eines FPGA erfordert spezielle Kenntnisse, die Kosten erhöhen und Bereitstellungen verzögern können. Während einige FPGAs einen nichtflüchtigen Speicher bieten, der beim Ausschalten Programmieranweisungen speichern kann, müssen FPGAs in der Regel beim Start konfiguriert werden.

Vorteile von FPGA

Trotz dieser Herausforderungen bleiben FPGAs in Anwendungen nützlich, die hohe Leistung, geringe Latenz und Echtzeitflexibilität erfordern. FPGAs eignen sich besonders gut für Anwendungen mit folgenden Anforderungen:

• Rapid Prototyping: FPGAs können schnell in mehrere Arten von kundenspezifischen digitalen Schaltungen konfiguriert werden, sodass eine schnellere Bereitstellung, Bewertung und Änderung möglich ist, ohne dass kostspielige und zeitaufwändige Fertigungsprozesse erforderlich sind. 
• Hardwarebeschleunigung: Anspruchsvolle Anwendungen profitieren von den parallelen Verarbeitungsfunktionen des FPGA. FPGAs können bei rechenintensiven Aufgaben wie der Signalverarbeitung, Kryptografie und Algorithmen des maschinellen Lernens erhebliche Leistungsverbesserungen bieten.
• Anpassung: FPGAs sind eine flexible Hardwarelösung, die zur Erfüllung spezifischer Projektanforderungen leicht optimiert werden kann. 
• Langlebigkeit: FPGA-basierte Designs können von einer längeren Hardware-Lebensdauer profitieren, da FPGAs aktualisiert und neu konfiguriert werden können, um den sich ändernden Projektanforderungen und Technologiestandards gerecht zu werden. 

Komponenten von FPGAs

Zur Erreichung der Rekonfigurierbarkeit bestehen FPGAs aus einer Reihe programmierbarer Logikblöcke, die über eine programmierbare Routingstruktur miteinander verbunden sind. Die Hauptkomponenten eines typischen FPGAs sind wie folgt:

• Konfigurierbare Logikblöcke (CLBs): CLBs bieten Rechenfunktionalität und können eine kleine Anzahl von primitiven Logikelementen, z. B. Logikgatter, kleine Nachschlagetabellen (LUTs), Multiplexoren und Flip-Flops für den Datenspeicher enthalten. 
• Programmierbare Verbindungen: Diese Verbindungen bestehen aus Kabelsegmenten, die durch elektrisch programmierbare Schalter verbunden sind. Sie bieten Routing-Pfade zwischen den verschiedenen FPGA-Ressourcen und ermöglichen so verschiedene Konfigurationen und die Erstellung benutzerdefinierter digitaler Schaltungen. 
• I/O-Blöcke (IOBs): Die Schnittstelle zwischen einem FPGA und anderen externen Geräten wird durch I/O-Blöcke (Input-Output) ermöglicht, mit denen der FPGA Daten von Peripheriegeräten empfangen und steuern kann. 

Anwendungsfälle von FPGAs

FPGAs sind von Natur aus vielseitig und in einer Vielzahl von Branchen und Anwendungen verbreitet:

• Luft- und Raumfahrt und Verteidigung: FPGAs bieten eine parallele Hochgeschwindigkeitsverarbeitung, die für die Datenerfassung wertvoll ist, und sind eine bevorzugte Wahl für Radarsysteme, Bildverarbeitung und sichere Kommunikation. 
• Industrielle Steuerungssysteme (ICS): Industrielle Steuerungssysteme werden zur Überwachung von Infrastrukturen wie Stromnetzen, Ölraffinerien und Wasseraufbereitungsanlagen eingesetzt. Sie verwenden FPGAs, die leicht optimiert werden können, um die individuellen Anforderungen verschiedener Branchen zu erfüllen. In diesen kritischen Branchen können FPGAs verwendet werden, um verschiedene Automatisierungen und hardwarebasierte Verschlüsselungsfunktionen für eine effiziente Cybersicherheit zu implementieren.
• ASIC-Entwicklung: FPGAs werden häufig beim Prototyping neuer ASIC-Chips eingesetzt. 
• Automobilindustrie: Aufgrund der fortschrittlichen Signalverarbeitung eignen sich FPGAs auch sehr gut für Anwendungen in der Automobilindustrie, einschließlich fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme (ADAS), Sensorfusion und GPS.
• Rechenzentren: FPGAs bieten einen Mehrwert für Rechenzentren, indem sie Server mit hoher Bandbreite und geringer Latenz sowie die Netzwerk- und Speicherinfrastruktur optimieren.

Funktionen von FPGAs

• Prozessorkern: Konfigurierbare Logikblöcke
• Speicher: Externe Speicherschnittstelle 
• Peripheriegeräte: Konfigurierbare I/O-Blöcke
• Programmierung: Hardwarebeschreibungssprache (VHDL, Verilog) 
• Rekonfigurierbarkeit: Hochgradig rekonfigurierbare, neu programmierbare Logik

Mikrocontroller sind eine Art kompakte, vorgefertigte ASIC, die einen (oder mehrere) Prozessorkerne, Speicher (RAM) und einen löschbaren, programmierbaren Festwertspeicher (EPROM) zum Speichern benutzerdefinierter Programme enthält, die auf dem Mikrocontroller ausgeführt werden. Die auch als „System-on-a-Chip“-Lösung (SoC) bekannten Mikrocontroller sind im Wesentlichen kleine Computer, die in ein einziges Stück Hardware integriert sind und unabhängig oder in größeren eingebetteten Systemen verwendet werden können.

Mikrocontroller für Verbraucher, wie das Arduino Starter Kit oder Microchip Technology PIC, können in der Assemblersprache oder in gängigen Programmiersprachen (C, C++) konfiguriert werden und werden von Bastlern und Pädagogen wegen ihrer kostengünstigen Zugänglichkeit bevorzugt. Mikrocontroller können auch komplexere und kritischere Aufgaben übernehmen und sind in industriellen Anwendungen weit verbreitet. Verringerte Rechenleistung und Speicherressourcen können jedoch die Effizienz des Mikrocontrollers in anspruchsvolleren Anwendungen einschränken.

Vorteile eines Mikrocontrollers

Trotz ihrer Einschränkungen bieten Mikrocontroller viele Vorteile, darunter die folgenden:

• Kompaktes Design: Mikrocontroller integrieren alle notwendigen Komponenten auf einem kleinen, einzigen Chip und bieten einen geringen Speicherbedarf, der sich bei Anwendungen bewährt, bei denen Größe und Gewicht im Vordergrund stehen.
• Energieeffizienz: Mikrocontroller wurden für den Betrieb mit geringem Stromverbrauch entwickelt und eignen sich gut für akkubetriebene Geräte und andere Anwendungen, bei denen der Stromverbrauch eine Rolle spielt.
• Kosteneffizienz: Mikrocontroller bieten eine komplette SoC-Lösung, die den Bedarf an zusätzlichen Peripheriegeräten und Komponenten reduziert. Kostengünstige Universal-Mikrocontroller können die Gesamtkosten eines Projekts erheblich senken.
• Flexibilität: Obwohl sie nicht so vielseitig sind wie FPGAs, sind Mikrocontroller für eine breite Palette von Anwendungen programmierbar. Während Mikrocontroller auf Hardwareebene nicht neu programmiert werden können, lassen sie sich auf Softwareebene problemlos neu konfigurieren, aktualisieren und optimieren.

Mikrocontroller-Komponenten

Steht die Reprogrammierbarkeit nicht im Vordergrund, bieten eigenständige Mikrocontroller eine kompakte und leistungsfähige Alternative. Die folgenden Punkte sind die Hauptbestandteile eines Mikrocontrollers:

• Zentrale Recheneinheit (CPU): Die umgangssprachlich als „Gehirn“ bezeichnete zentrale Recheneinheit (CPU) dient als Kernkomponente, die für die Ausführung von Anweisungen und die Steuerung von Abläufen zuständig ist.
• Speicher: Mikrocontroller enthalten sowohl flüchtigen Speicher (RAM), der temporäre Daten speichert, die verloren gehen können, wenn das System die Stromversorgung ausfällt, als auch nichtflüchtigen Speicher (ROM, FLASH) zum Speichern des Programmiercodes des Mikrocontrollers.
• Peripheriegeräte: Je nach Anwendungszweck kann ein Mikrocontroller verschiedene Peripheriekomponenten enthalten, z. B. Ein-/Ausgabe-Schnittstellen (E/A) wie Timer, Zähler, Analog-Digital-Wandler (ADC) und Kommunikationsprotokolle (UART, SPI, I2C).

Anwendungsfälle für Mikrocontroller

Im Gegensatz zu FPGAs sind kleine, erschwingliche und nichtflüchtige Mikrocontroller in der modernen Elektronik allgegenwärtig und werden häufig für bestimmte Aufgaben bereitgestellt. Dazu gehören:

• Automobilsysteme: Mikrocontroller werden in Motorsteuerungs-, Airbag-Auslösungs- und Infotainment-Systemen im Fahrzeug bereitgestellt.
• Unterhaltungselektronik: Mikrocontroller sind für Smartphones, Smart-TVs und andere Haushaltsgeräte von entscheidender Bedeutung, insbesondere für Geräte, die in das Internet der Dinge (IoT) integriert sind.
• Industrielle Automatisierung: Mikrocontroller eignen sich gut für industrielle Anwendungen, z. B. die Steuerung von Maschinen, Überwachungssysteme und die Prozessautomatisierung.
• Medizinprodukte: Mikrocontroller werden häufig in lebensrettenden Produkten wie Herzschrittmachern, Blutzuckermessgeräten und Diagnosegeräten bereitgestellt.

Funktionen von Mikrocontrollern

• Prozessorkern: Feste CPU
• Speicher: Integrierter RAM und ROM/Flash 
• Peripheriegeräte: Integrierte I/O-Schnittstellen für
• Programmierung: Software (C, Assembler) 
• Rekonfigurierbarkeit: Eingeschränkt, Firmware-Updates

Beim Vergleich von FPGAs und Mikrocontrollern müssen eine Reihe wichtiger Unterschiede berücksichtigt werden, darunter die Hardware-Architektur, die Verarbeitungsfunktionen, der Stromverbrauch und die Anforderungen der Entwickler.

• Hardwarestruktur
  • FPGA: Hochgradig konfigurierbare programmierbare Logikblöcke und Verbindungen, die reprogrammierbare und benutzerdefinierte digitale Schaltungen ermöglichen.
  • Mikrocontroller: Feste Architektur mit vordefinierten Komponenten (CPU, Speicher, Peripherie), die in einem einzigen Chip integriert ist.
• Verarbeitungsfunktionen
  • FPGA: Die fortschrittliche Parallelverarbeitung ermöglicht mehrere gleichzeitige Abläufe.
  • Mikrocontroller: Mikrocontroller sind für die sequentielle Verarbeitung ausgelegt und können Anweisungen immer nur einzeln ausführen.
• Stromverbrauch
  • FPGA: Verbraucht in der Regel mehr Strom als Mikrocontroller.
  • Mikrocontroller: Optimiert für niedrigen Stromverbrauch, geeignet für akkubetriebene Anwendungen.
• Programmierung
  • FPGA: Erfordert spezielle Kenntnisse in Hardwarebeschreibungssprachen zur Konfiguration und Fehlersuche.
  • Mikrocontroller: Kann mit Softwareentwicklungssprachen wie Javascript, Python, C, C++ und Assemblersprachen programmiert werden.
• Kosten
  • FPGA: FPGA-Hardware bietet eine höhere Leistung, erfordert aber fortgeschrittene Kenntnisse und ist aufgrund des höheren Stromverbrauchs und der erforderlichen Programmierkenntnisse oft teurer.
  • Mikrocontroller: Im Allgemeinen eine kostengünstigere Lösung mit Standardverfügbarkeit, geringerem Stromverbrauch und Unterstützung für leichter zugängliche Programmiersprachen.
• Vielseitigkeit
  • FPGA: Der FPGA ist weitaus flexibler als der Mikrocontroller und ermöglicht eine Anpassung auf Hardwareebene.
  • Mikrocontroller: Obwohl Mikrocontroller für eine breite Palette von Anwendungen geeignet sind, bieten sie im Vergleich zu FPGAs nur eine oberflächliche Anpassung.

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