Matrices de puertas programables en campo (FPGA) frente a microcontroladores: ¿Cuál es la diferencia?

<a href=" " target=" " rel=" ">Matrices de puertas programables en campo (FPGAs) y <a href=" " target=" " rel=" ">unidades de microcontrolador (MCUs) son dos tipos de circuitos integrados (IC) comúnmente comparados que se emplean normalmente en sistemas integrados y diseño digital. Tanto los FPGA como los microcontroladores pueden considerarse como “computadoras pequeñas” que pueden integrarse en dispositivos y sistemas más grandes.

Como procesadores, la principal diferencia entre los FPGA y los microcontroladores se reduce a la programabilidad y las capacidades de procesamiento. Si bien los FPGA son más poderosos y versátiles, también son más costosos. 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 de FPGA también puede manejar entradas paralelas simultáneamente, mientras que los microcontroladores solo pueden leer una línea de código a la vez. Un FPGA se puede programar para realizar las funciones de un microcontrolador; sin embargo, un microcontrolador no se puede reprogramar para funcionar como un 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 específicos de la aplicación (ASIC) tradicionales, los FPGA están diseñados para configurar (y reconfigurarse) "en el campo" una vez que se completa el proceso de fabricación inicial. Si bien la personalización es la oferta de mayor valor de los FPGA, cabe señalar que los FPGA no solo permiten la programabilidad, sino que la requieren. A diferencia de los ASIC, los FPGA no son soluciones "listas para usar" y deben configurar antes de su uso con un lenguaje de descripción de hardware (HDL), como verilog o VHDL. La programación de un FPGA requiere conocimientos especializados, lo que puede aumentar los costos y retrasar los despliegues. Si bien algunas FPGA ofrecen memoria no volátil que puede retener las instrucciones de programación cuando se apagan, normalmente las FPGA deben configurar en el arranque.

Beneficios de FPGA

A pesar de estos desafíos, los FPGA siguen siendo útiles en aplicaciones que requieren alto rendimiento, baja latencia y flexibilidad en tiempo real. Los FPGA son especialmente adecuados para aplicaciones que requieren lo siguiente:

• Prototipado rápido: las FPGA se pueden configurar rápidamente en múltiples tipos de circuitos digitales personalizados, lo que permite despliegues, evaluaciones y modificaciones aceleradas sin la necesidad de procesos de fabricación costosos y que consumen mucho tiempo. 
• Aceleramiento de hardware: las aplicaciones exigentes se benefician de las capacidades de procesamiento paralelo de la FPGA. Las FPGA pueden ofrecer mejoras significativas en el rendimiento para tareas computacionalmente intensivas, como el procesamiento de señales, la criptografía y los algoritmos de machine learning.
• Personalización: Las FPGA son una solución de hardware flexible 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 las FPGA se pueden actualizar y reconfigurar para satisfacer las demandas cambiantes del proyecto y los estándares tecnológicos. 

Componentes de FPGA

Para lograr la reconfigurabilidad, las FPGA se componen de una matriz de bloques lógicos programables interconectados por un tejido de enrutamiento programable. Los componentes principales de un FPGA típico 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, tablas de búsqueda pequeñas (LUT), multiplexores y flip-flops para almacenamiento de datos. 
• Interconexiones programables: compuestos por segmentos de cable unidos por conmutadores programables eléctricamente, estos enlaces proporcionan rutas de enrutamiento entre los diversos recursos FPGA, permitiendo 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 por bloques de entrada y salida (E/S), que permiten que la FPGA reciba datos de periféricos y los controle. 

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 una opción preferida para sistemas de radar, procesamiento de imágenes y comunicaciones seguras. 
• Sistemas de control industrial (ICS): los sistemas de control industrial utilizados para supervisar infraestructuras, como redes eléctricas, refinerías de petróleo y plantas de tratamiento de agua, emplean FPGA que pueden optimizarse fácilmente para satisfacer las necesidades únicas de diversas industrias. En estas industrias críticas, las FPGA se pueden emplear para implementar diversas automatizaciones y características de cifrado basadas en hardware para una ciberseguridad eficiente.
• Desarrollo de ASIC: losFPGA se emplean a menudo en la creación de prototipos de nuevos chips ASIC. 
• Automotriz: el procesamiento Advanced de señal también hace que los FPGA sean adecuados para aplicaciones automotrices, incluyendo sistemas Advanced 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 de alto ancho de banda y baja latencia, redes e infraestructura de almacenamiento.

Características de 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

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 puede usar de forma independiente o en sistemas integrados más grandes.

Los microcontroladores de nivel de consumidor, como el kit de inicio Arduino o el PIC de Microchip Technology, se pueden configurar mediante 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 muchos beneficios, como las siguientes:

• Diseño compacto: los microcontroladores integran todos los componentes necesarios en un solo chip pequeño que ofrece un espacio reducido 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 alimentados por baterías y otras aplicaciones en las que el consumo de energía es una preocupación.
• Rentabilidad: Los microcontroladores ofrecen una solución SoC completa que reduce la necesidad de periféricos y componentes adicionales. Los microcontroladores de propósito general y bajo costo pueden reducir considerablemente los gastos generales del proyecto.
• Flexibilidad: aunque no son tan versátiles como los FPGA, los microcontroladores son programables para una amplia gama de aplicaciones. Si bien no se pueden reprogramar a nivel de hardware, los microcontroladores se pueden reconfigurar, actualizar y optimizar fácilmente a nivel de software.

Componentes del microcontrolador

Cuando la reprogramabilidad no es una prioridad, los microcontroladores autónomos ofrecen una alternativa compacta y capaz. A continuación se encuentran los componentes clave de un microcontrolador:

• Unidad central de procesamiento (CPU): coloquialmente conocida como el "cerebro", la unidad central de procesamiento (CPU) sirve como componente central responsable de ejecutar instrucciones y controlar operaciones.
• Memoria: los microcontroladores contienen tanto memoria volátil (RAM), que almacena datos temporales que pueden perder si el sistema pierde alimentación, como 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 de analógico a digital (ADC) y protocolos de comunicación (UART, SPI, I2C ).

Casos de uso de microcontroladores

A diferencia de las FPGA, los microcontroladores pequeños, asequibles y no volátiles son omnipresentes en la electrónica moderna y se despliegan con frecuencia para tareas específicas, incluidas las siguientes:

• Sistemas automotrices: Los microcontroladores se utilizan en el control del motor, despliegue de bolsas de aire y sistemas de infoentretenimiento dentro del automóvil.
• Electrónica de consumo: los microcontroladores son fundamentales para los teléfonos inteligentes, los televisores inteligentes y otros electrodomésticos, especialmente los dispositivos que se integran en el Internet de las cosas (IoT).
• Automatización industrial: losmicrocontroladores son adecuados para aplicaciones industriales, como el control de maquinaria, los sistemas de monitoreo y la automatización de procesos.
• Dispositivos médicos: los microcontroladores a menudo se despliegan en dispositivos que salvan vidas, como Pacemaker, 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 (C, Ensamblador) 
• Reconfigurabilidad: actualizaciones limitadas de firmware

Al comparar FPGA y microcontroladores, es importante tener en cuenta un serial de diferencias clave, incluida la arquitectura de hardware, las capacidades de procesamiento, el consumo de energía y los requisitos de los desarrolladores.

• Estructura de hardware
  • FPGA: bloques lógicos programables altamente configurables e interconexiones, lo que permite circuitos digitales reprogramables y personalizados.
  • Microcontrolador: Arquitectura fija con componentes predefinidos (CPU, memoria, periféricos) integrados en un solo chip.
• Capacidad de procesamiento
  • FPGA: el procesamiento paralelo avanzado permite múltiples operaciones simultáneas.
  • Microcontrolador: diseñados para el procesamiento secuencial, los microcontroladores solo pueden ejecutar instrucciones una a la vez.
• Consumo de energía
  • FPGA: suele consumir más energía que los microcontroladores.
  • Microcontrolador: optimizado para bajo consumo de energía, adecuado para aplicaciones alimentadas por batería.
• Programación
  • FPGA: requieren conocimientos especializados en lenguajes de descripción de hardware para configurar y depurar.
  • Microcontrolador: Se puede programar usando lenguajes de desarrollo de software incluyendo Javascript, Python, C, C++ y lenguajes ensambladores.
• Costo
  • FPGA: ofreciendo mayor potencia, pero requiriendo habilidades avanzadas, el hardware FPGA suele ser más costoso con el costo adicional de un mayor consumo de energía y talento de programador especializado.
  • Microcontrolador: generalmente, una solución más rentable con disponibilidad lista para usar, menor consumo de energía y soporte para lenguajes de programación más accesibles.
• Versatilidad
  • FPGA: la FPGA es mucho más flexible 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 ofrecen solo una personalización superficial en comparación con los FPGA.

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