マイクロプロセッサと FPGA とマイクロコントローラの比較

はじめに:

FPGA とマイクロコントローラーは、ほぼすべての電気プロジェクトの基本的なルーツです。ほぼすべての電気機器には、その機器が適切に機能するのに役立つプログラム可能なチップがインストールされていることが確実です。しかし、FPGA とマイクロコントローラーの違いは何でしょうか?また、どちらが自分に適しているかをどのように判断できますか?

FPGA (フィールド プログラマブル ゲート アレイ) は、製造後にプログラムできる IC の一種ですが、マイクロコントローラーには独自の回路と命令が事前に設定されています。 2 つを区別する特徴と、プロジェクトに合わせて 1 つを選択する方法について説明します。

マイクロプロセッサとマイクロコントローラの違い:

まず、マイクロプロセッサとマイクロコントローラはよく混同されるため、両者の違いを知っておく必要があります。マイクロプロセッサは、CPU などの電気デバイスに付属し、処理用に構築された集積回路です。これらのチップは、RAM や ROM などの周辺機器をチップ上に搭載せず、代わりにチップの外部に配置するため、サイズが大きくなる傾向があります。一方、マイクロコントローラはそれ自体が周辺機器を組み込んだコンピュータであり、比較的小型です。マイクロコントローラは特定のタスクを実行するように設計されているため、周辺機器の必要性はタスクが指定されているほど少なくなります。マイクロプロセッサはシステムの心臓部と見なすことができ、マイクロコントローラは組み込みシステムを駆動するものです。

通常、マイクロプロセッサはビデオ編集やゲーム開発などのタスクに使用されますが、マイクロコントローラはより複雑なタスクを処理します。マイクロプロセッサは通常 1 GHz を超えることができますが、マイクロコントローラは最大 30 ～ 50 MHz になります。また、マイクロコントローラは通常、マイクロプロセッサよりも安価です。マイクロプロセッサの代わりにマイクロコントローラを使用できますが、非常に高価です。

マイクロプロセッサ

マイクロプロセッサは、複数の外部コンポーネントが必要なため、比較的高価です。マイクロコントローラには省電力システムを組み込むことができますが、マイクロプロセッサにはそのような機能がありません。マイクロコントローラは特定のプログラミングと情報メモリを備えたハーバード アーキテクチャに基づいていますが、マイクロプロセッサはフォン ノイマン モデルに基づいて構築されており、データとプログラミングは同じメモリ モジュールに格納されています。

FPGA とマイクロコントローラの違い:

マイクロコントローラと FPGA の両方を使用して、出力値を監視し、システムの処理を制御します。しかし、それらには非常に大きな違いがあります。マイクロコントローラーは、独自のメモリ、I/O ポート、およびタイマーを備えたコンピューターのようなものです。他のハードウェアに代わって簡単なタスクを実行できます。 FPGA は、数百万の論理ゲートを備えた IC の一種であり、プログラムされた論理ゲートを介してタスクを実行できます。機能するには外部周辺機器も必要です。マイクロコントローラは C、C++ を使用してプログラムできますが、FPGA の論理ゲートは VHDL または Verilog を使用してプログラムされます。マイクロプロセッサの処理能力は限られていますが、FPGA のスペースは限られています。

Mimas V2 Spartan 6 FPGA 開発ボード

FPGA は、ロジック ゲートで実行するようにプログラムされた任意のタスクを実行でき、別のタスクを実行するために再配線することもできるため、柔軟性を示します。一方、マイクロコントローラは、配線されているタスクに限定されています。マイクロプロセッサはプログラムを 1 行ずつ順番に消費しますが、FPGA はさまざまなコマンドを同時に処理できます。

また、FPGA よりもマイクロコントローラのコードを書く方が比較的簡単です。 FPGA では、FSM (Finite State Machines) を使用して割り込みを簡単に制御できますが、マイクロコントローラーでは割り込みを克服するのに時間がかかります。ハードウェアを変更せずに FPGA を簡単に再プログラムできますが、マイクロコントローラーのレイアウトはシリコン集積回路で変更する必要があります。

FPGA の構成は、すべてのコードを最初からコンパイルしてから機械語に変換する必要があるため、より複雑です。一方、マイクロコントローラは、タスクを実行するために構築されており、使用と設定がより簡単です。プログラミングの観点から言えば、マイクロコントローラーは比較的柔軟ですが、ハードウェアを介して正確にカスタマイズすることはできません.

FPGA およびマイクロコントローラの消費電力:

FPGA は、マイクロコントローラーに比べて比較的多くの電力を使用するため、すべてのシステムに適しているわけではありません。また、FPGA は、ASIC (特定用途向け集積回路) などのコンポーネントほど効率的ではありません。また、FPGA の再プログラミングは、ロジックの使用率が低くなるため、効率が低下することを意味します。同様に、未使用のトランジスタはより多くの電力消費につながります。

しかし、FPGA の速度はマイクロコントローラーよりも高速です。マイクロコントローラーは処理速度が遅くなりますが、消費電力も少なく、省電力モードも提供します。 1 µA 未満のスリープ電流を許容し、遅いクロック レートでは数 µA で機能するものもあります。場合によっては、FPGA システムがボード上のマイクロコントローラーを使用して電力効率を向上させることがあります。

結論:
プロジェクトでは、マイクロコントローラーと FPGA の両方を使用できます。しかし、より手頃な価格の選択肢が必要な場合は、マイクロコントローラーを選択する必要があります.同様に、より柔軟で再プログラム可能なオプションが必要な場合は、FPGA を選択する必要があります。