مصفوفات البوابات الإلكترونية القابلة للبرمجة في الموقع (FPGAs) وووحدات التحكم الدقيقة (MCUs) هما نوعان من الدوائر المتكاملة (ICs) التي تُستخدم عادةً في الأنظمة المدمجة والتصميم الرقمي. يمكن النظر إلى كل من مصفوفات البوابة القابلة للبرمجة الميدانية ووحدات التحكم الدقيقة على أنها "أجهزة كمبيوتر صغيرة" يمكن دمجها في الأجهزة والأنظمة الأكبر حجمًا.
بصفتهما معالجات، يكمن وجه الاختلاف الأساسي بين FPGAs ووحدات التحكم الدقيقة في إمكانية البرمجة وقدرات المعالجة. في حين أن FPGAs أقوى من حيث إمكانات وأكثر تنوعًا، إلا إنها أيضًا أكثر تكلفة. وحدات التحكم الدقيقة أقل قابلية للتخصيص، ولكنها أيضًا أقل تكلفة. في العديد من التطبيقات، تكون وحدات التحكم الدقيقة ذات إمكانات فريدة وميسورة التكلفة. إلا إنها، بالنسبة إلى بعض التطبيقات التي يكثر عليها الطلب أو التطبيقات الناشئة، مثل تلك التي تتطلب معالجة متوازية، فإن FPGAs ضرورية.
على عكس وحدات التحكم الدقيقة، توفر FPGAs إمكانية إعادة البرمجة على مستوى الأجهزة. يسمح تصميمها الفريد للمستخدمين بتهيئة بنية الشريحة وإعادة تكوينها حسب المهمة. يمكن لتصميم FPGA أيضًا التعامل مع المدخلات المتوازية في وقت واحد، بينما يمكن لوحدات التحكم الدقيقة قراءة سطر واحد فقط من التعليمات البرمجية في كل مرة. يمكن برمجة FPGA لأداء وظائف وحدات التحكم الدقيقة؛ بيد أنه لا يمكن إعادة برمجة وحدات التحكم الدقيقة لأداء وظائف FPGA.
أصدرت شركة Xilinx لأول مرة مصفوفات FPGAs في عام 1985، وهي ذات قيمة عالية لتنوع استخدامها وقدرة معالجتها. نتيجة لذلك، فهي خيار مفضل في العديد من تطبيقات الحوسبة عالية الأداء (HPC) ومعالجة الإشارات الرقمية (DSP) والنماذج الأولية.
على عكس الدوائر المتكاملة محددة التطبيقات (ASICs) التقليدية، صُممت FPGAs لتهيئتها (وإعادة تكوينها) "في الموقع" بعد اكتمال عملية التصنيع الأولية. في حين أن التخصيص هو أكبر عرض قيمة لمصفوفات البوابات الإلكترونية القابلة للبرمجة في الموقع (FPGAs)، تجدر الإشارة إلى أن مصفوفات FPGAs لا تسمح فقط بإمكانية البرمجة، بل إنها تتطلب ذلك. وعلى عكس ASICs، فإن مصفوفات FPGAs ليست حلولاً "جاهزة"، وينبغي تكوينها قبل استخدامها مع لغات وصف الأجهزة (HDL)، مثل verilog أو VHDL. تتطلب برمجة FPGA معرفة متخصصة، والتي يمكن أن تزيد التكاليف وتؤخر عمليات النشر. في حين أن بعض مصفوفات FPGAs توفر ذاكرة غير متطايرة يمكنها الاحتفاظ بتعليمات البرمجة عند إيقاف التشغيل، ينبغي عادةً تهيئة FPGAs عند بدء التشغيل.
على الرغم من هذه المشكلات، تظل مصفوفات FPGAs مفيدة في التطبيقات التي تتطلب أداءً عاليًا وزمن انتقال قصير ومرونة في الوقت الفعلي. تناسب مصفوفات FPGAs بشكل خاص التطبيقات التي تتطلب ما يلي:
لتحقيق إمكانية إعادة التكوين، تتكون FPGAs من مجموعة من كتل المنطق القابلة للبرمجة المترابطة بنسيج توجيه قابل للبرمجة. فيما يلي العناصر الرئيسية لمصفوفات البوابات الإلكترونية القابلة للبرمجة في الموقع (FPGAs) التقليدية:
مصفوفات FPGAs متعددة الاستخدامات بطبيعتها، وهي شائعة في مجموعة واسعة من المجالات والتطبيقات منها ما يلي:
وحدات التحكم الدقيقة نوع من الدوائر المتكاملة محددة التطبيقات (ASICs) المدمجة الجاهزة التي تحتوي على نواة (أو أنوية) معالج وذاكرة (RAM) وذاكرة قراءة فقط قابلة للبرمجة وللمحو إلكترونيًا (EEPROM) لتخزين البرامج المخصصة التي تعمل على وحدة التحكم الدقيقة. تُعرف وحدات التحكم الدقيقة باسم حل "النظام على شريحة (SoC)"، وهي في الأساس أجهزة كمبيوتر صغيرة مدمجة في جزء واحد من الأجهزة ويمكن استخدامها بشكل مستقل أو في أنظمة مدمجة أكبر.
يمكن تكوين وحدات التحكم الدقيقة الخاصة بالمستهلكين، مثل Aruino Starter Kit أو Microchip Technology PIC، باستخدام لغة التجميع أو لغات البرمجة الشائعة (C، وC++)، وهي مفضلة للهواة والمعلمين بسبب قلة تكلفة الحصول عليها. كما أن وحدات التحكم الدقيقة قادرة على التعامل مع المهام الأكثر تعقيدًا وحساسية وهي شائعة في التطبيقات الصناعية. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي انخفاض قدرة المعالجة وموارد الذاكرة إلى الحد من مدى فعالية وحدة التحكم الدقيقة في التطبيقات التي يكثر عليها الطلب.
على الرغم من قيودها، إلا إن وحدات التحكم الدقيقة تتمتع بالعديد من المزايا، منها ما يلي:
عندما لا تكون إمكانية إعادة البرمجة أولوية، توفر وحدات التحكم الدقيقة المتكاملة بديلاً مدمجًا وذا إمكانات. فيما يلي العناصر الرئيسية لوحدات التحكم الدقيقة:
على عكس مصفوفات FPGAs، فإن وحدات التحكم الدقيقة الصغيرة والميسورة التكلفة وغير المتطايرة لا تخلو منها جميع الأجهزة الإلكترونية الحديثة، وتُنشر في كثير من الأحيان لأداء مهام محددة، منها ما يلي:
عند مقارنة مصفوفات FPGAs ووحدات التحكم الدقيقة، ينبغي مراعاة عدد من أوجه الاختلاف الرئيسية، بما في ذلك بنية الأجهزة وإمكانات المعالجة واستهلاك الطاقة ومتطلبات المطورين.
سواء أكنت تبحث عن معالج FPGA متعدد الاستخدامات وفائق الإمكانات أم عن متحكم دقيق مدمج وميسور التكلفة، فكر في مدى مساعدة IBM لك على الارتقاء بأعمالك من خلال حلول البنية التحتية المتطورة. يوفر نظام FlashSystem 5300 الجديد من IBM أداءً محسنًا ومرونة إلكترونية. يبسط نظام Storage Assurance الجديد من IBM إجراءات ملكية التخزين ويساعدك على مواجهة تحديات دورة حياة تقنية المعلومات.