FPGA مقابل المتحكم الدقيق - فهم الاختلافات الرئيسية

تُستخدم المتحكمات الدقيقة ومصفوفات البوابات القابلة للبرمجة ميدانيًا (FPGAs) بكثرة في تصميم الأنظمة الرقمية. وتزداد شعبية الأنظمة القائمة على المتحكمات الدقيقة. فمن ناحية، تُعدّ تكلفتها المنخفضة واستهلاكها المنخفض للطاقة وملاءمتها لمهام التحكم الأساسية خيارًا مثاليًا. ومن ناحية أخرى، فإن الانتشار السريع لمصفوفات FPGAs، وتوافر أدوات تطوير فعّالة، وزيادة قدرتها على المعالجة المتوازية وكثافتها، تجعلها خيارًا جذابًا.

تتوفر اليوم العديد من أنوية المتحكمات الدقيقة لسوق الأجهزة المدمجة، بدءًا من التصاميم التقليدية مثل 8051 وصولًا إلى أجهزة RISC أو DSP. ويُحدد الاختيار بين التصاميم المختلفة بناءً على معايير مثل السرعة، والطاقة، والقاعدة المُثبتة، وإمكانية إعادة الاستخدام، واعتبارات تقنية أخرى. تُعدّ التطبيقات المدمجة مجالًا دراسيًا متزايدًا في أنظمة الحاسوب. إن العدد الكبير من منافذ الاتصال في وحدة التحكم الدقيقة، ووحدات تعديل عرض النبضة (PWM)، والمحولات التناظرية إلى الرقمية (ADC)، المُجمّعة في شريحة واحدة، تجعلها مثالية للتطبيقات الصناعية.

في مختلف مجالات الهندسة الكهربائية، تُستخدم وحدات التحكم الدقيقة (MCUs) عادةً للتحكم الأساسي والاتصالات والمهام منخفضة التعقيد، بينما تُستخدم مصفوفات البوابات القابلة للبرمجة ميدانيًا (FPGAs) لمهام المعالجة عالية السرعة والحساسة للوقت. ومع ذلك، فإن التطبيقات القائمة على الأجهزة المدمجة في الإلكترونيات الاستهلاكية تخضع لقيود تصميمية مختلفة. في هذه الحالة، قد تكون الأولوية لاستهلاك الطاقة وكثافة الكود وتكامل الأجهزة الطرفية على متطلبات الأداء. من ناحية أخرى، من الناحية التكنولوجية، تُمكّن الكثافات المتزايدة لمصفوفات FPGAs وانخفاض أسعارها نتيجةً لارتفاع حجم التصنيع من دمج الأنظمة المدمجة في شريحة FPGA واحدة.

ما هو المتحكم الدقيق؟

المتحكم الدقيق هو جهاز إلكتروني ينتمي إلى عائلة الحواسيب الدقيقة. تُصنع مكوناته باستخدام تقنية التكامل واسع النطاق (VLSI) لتكوين شريحة واحدة. تُعرف أيضًا باسم "حاسوب على شريحة". يحتوي المتحكم الدقيق على كمية معينة من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) وذاكرة القراءة فقط (ROM) (EEPROM، EPROM، إلخ) أو ذاكرات فلاش لتخزين أكواد البرامج. ومن الميزات الإضافية المؤقتات، والمنافذ المتوازية، والمنافذ التسلسلية، ومنافذ المقاطعات، والمحول التناظري الرقمي (ADC)، والمحول النبضي النبضي (PWM)، والمحول التناظري الرقمي التناظري (DAC). المتحكم الدقيق هو معالج دقيق مزود بذاكرة وقدرات إدخال/إخراج. تُستخدم المتحكمات الدقيقة على نطاق واسع في الأنظمة المدمجة نظرًا لدمجها وحدة المعالجة المركزية (CPU)، والذاكرة، وأجهزة الإدخال/الإخراج الطرفية في شريحة واحدة.

الحاسوب الشخصي أو الحاسوب المحمول جهاز متعدد الأغراض (يُستخدم لمهام متنوعة مثل الألعاب، وتصفح الإنترنت، والموسيقى، ومعالجة النصوص، إلخ). في المقابل، عادةً ما تكون الأنظمة المضمنة أجهزة أحادية الوظيفة مصممة لمهام محددة. من أهم خصائص أنظمة المتحكم الدقيق أنها غالبًا ما تؤدي مهامًا مخصصة دون الحاجة إلى نظام تشغيل كامل (مثل Windows، وLinux، وmacOS، وiOS). تحتوي الساعات، ومشغلات MP3، وآلات البيع، وغيرها من الأجهزة الإلكترونية على أنظمة مضمنة. قد يتداخل الحاسوب الكامل أحيانًا مع وظائف الجهاز. تخيل أنك تحتاج إلى تشغيل Windows لتشغيل غسالة أطباق. يوضح الشكل 2 بنية المتحكم الدقيق.

يتحقق المُجمِّعون من صحة شيفرة لغة البرمجة عالية المستوى، سواءً من حيث القواعد أو تخصيص الذاكرة. في هذه الحالات، غالبًا ما تظهر أخطاء أو تحذيرات، ولا تُخزَّن الشيفرة التي تحتوي على أخطاء على المتحكم الدقيق. بمجرد صحة الشيفرة، يُحوِّلها المجمِّع إلى شيفرة آلية، ويُخرِج ملف HEX يُحمَّل إلى ذاكرة المتحكم الدقيق.

ما هو FPGA (مجموعة البوابات القابلة للبرمجة ميدانيًا)؟

مصفوفات البوابات القابلة للبرمجة ميدانيًا (FPGAالدوائر المتكاملة الرقمية (ICs) هي دوائر متكاملة رقمية تتضمن كتلًا منطقية قابلة للتغيير (قابلة للبرمجة) ووصلات. يمكن لمهندسي التصميم برمجة هذه الأجهزة لتنفيذ مجموعة واسعة من الوظائف. وحسب طريقة تصنيعها، قد تتم برمجة بعض وحدات FPGA مرة واحدة فقط، بينما يمكن برمجة بعضها الآخر بشكل متكرر. ومن غير المستغرب أن يُعرف الجهاز الذي لا يمكن برمجته إلا مرة واحدة باسم "قابل للبرمجة لمرة واحدة".

يشير مصطلح "قابلية البرمجة الميدانية" في اسم FPGA إلى أن البرمجة تتم "في الميدان" (على عكس الأجهزة التي تُبرمج وظائفها الأساسية من قِبل الشركة المصنعة). قد ينطبق هذا على تهيئة FPGA في المختبر أو تغيير طريقة تشغيل جهاز في نظام إلكتروني مُستخدم فعليًا. إذا أمكن برمجة جهاز أثناء وجوده في نظام عالي المستوى، يُقال إنه قابل للبرمجة داخل النظام. يوضح الشكل 3 لوحة تطوير FPGA.

تُستخدم وحدات FPGA بشكل متكرر كمعالجات مساعدة للمعالجات الحالية، إما لتسريع المهام الحرجة زمنيًا أو لتوسيع وظائف وحدات الحساب والمنطق التقليدية. على سبيل المثال، عند استخدام المتحكمات الدقيقة، يتطلب حساب المعادلات التي تحتوي على أكثر من حدين سلسلة من العمليات الحسابية و/أو المنطقية، وفي كثير من الحالات، يجب تعيين متغير مؤقت. يمكن لوحدات FPGA تحسين أداء هذه الأنظمة من خلال إكمال هذه العمليات الحسابية بالتوازي مع استخدام قدر كبير من المنطق التجميعي.

تُستخدم هذه المعالجات أيضًا بشكل شائع في أنظمة الحوسبة المُخصصة، حيث يُنشأ جهاز حوسبة كامل ويُنفَّذ في FPGA. غالبًا ما تُستخدم وحدات التحكم الدقيقة أحادية الشريحة، وهي كافية لتلبية احتياجات تطبيقات مُحددة. في هذه الحالة، لا يلزم سوى كتابة برنامج التطبيق المطلوب. تُعد واجهة الأجهزة أساسية لتصميم هذه الأنظمة، وغالبًا ما تُنفَّذ باستخدام شرائح متخصصة قياسية. ينتج عن ذلك نظام ثابت لا يُمكن تغييره دون إعادة تصميم الأجهزة. تُوفر FPGA مرونة كبيرة في هذه التطبيقات، مما يسمح بتخصيص الأجهزة والمعالجة المتوازية. يُمثل الشكل 4 الرسم التخطيطي الداخلي للوحة تطوير FPGA.

الاختلافات الرئيسية بين المتحكمات الدقيقة و FPGA

الأداء

نظراً لاعتماد المتحكمات الدقيقة على سرعة الساعة، فإن أداءها عادةً ما يكون أقل من أداء وحدات FPGA، لأن ترددها يعتمد على التصميم. معظم هذه التطبيقات هي معالجة الصور والفيديو.

استهلاك الطاقة

تستهلك المتحكمات الدقيقة (MCUs) طاقة أقل من FPGAs نظرًا لصغر حجمها. تُعد المتحكمات الدقيقة مثالية لتشغيل البطاريات والعاكسات والمحولات. من ناحية أخرى، تُعد FPGAs أفضل في المعالجة الرقمية لمعالجة الصور والفيديو.

المرونة والتخصيص

يتميز إعداد الأجهزة بمرونة عالية عند العمل في وحدات FPGA، بينما في وحدات التحكم الدقيقة، تُجرى جميع التعديلات من خلال تطوير البرمجيات. هذا ما جعل وحدات التحكم الدقيقة أقل مرونة من وحدات FPGA. يُعد التخصيص القائم على البرمجيات مُفضلاً في وحدات التحكم الدقيقة، بينما يكون التخصيص القائم على الأجهزة أسهل في وحدات FPGA.

وقت التطوير والتعقيد

تختلف وحدات التحكم الدقيقة (MCUs) ووحدات FPGA من حيث بنية الذاكرة وخصائص الأداء. تحتوي وحدة التحكم الدقيقة على ذاكرة غير متطايرة، أي أنها تحتفظ بذاكرتها بعد إيقاف تشغيلها، بينما تفتقر وحدات FPGA إلى هذه الميزة بسبب ذاكرة الوصول العشوائي. تُبرمج وحدات التحكم الدقيقة عادةً باستخدام لغات برمجة عالية المستوى مثل C/C++، بينما يتطلب تطوير وحدات FPGA لغات وصف عتادية مثل Verilog أو VHDL. تدعم Verilog ووحدات FPGA عتادًا، بينما تدعم C/C++ برمجيات.

أوجه التشابه بين المتحكم الدقيق و FPGA؟

المكونات الأساسية

لا يُعَدّ المتحكم الدقيق شيئًا عندما يكون مُدمجًا مع دوائر متكاملة (ICs)، بينما تحتوي مُصفوفات FPGA في الغالب على دوائر متكاملة ودوائر متكاملة أخرى. باختصار، كلتا التقنيتين عبارة عن مزيج من الدوائر المتكاملة ولغة البرمجة عالية المستوى.

التخصيص

بعد التصنيع، يُمكن إعادة برمجة كلٍّ من FPGAs والمتحكمات الدقيقة، ويمكن تعديل وظائفها بعد بناء البنية التحتية. مع ذلك، تُناسب FPGAs في الغالب التطبيقات المتقدمة، بينما تُناسب وحدات التحكم الدقيقة (MCUs) مثل Arduino التطبيقات البسيطة أيضًا.

تطبيقات FPGAs ووحدات التحكم الدقيقة

تتوفر المتحكمات الدقيقة على نطاق واسع بتكلفة منخفضة، وتوفر مجموعة واسعة من الميزات لتطبيقات الطاقة والإلكترونيات. ومع ذلك، يتطلب استخدام وحدات التحكم الدقيقة خبرة في لغات البرمجة عالية المستوى مثل C/C++. من ناحية أخرى، تتميز وحدات FPGA بأسعار أعلى، لكنها أسهل استخدامًا. تعمل المتحكمات الدقيقة بكفاءة عالية عند استهلاك طاقة منخفض، مما يقلل من استهلاك الطاقة. من ناحية أخرى، تتطلب وحدات FPGA طاقة عالية، مما يتطلب طاقة أكبر للتشغيل. لا تُخصص الحلول البرمجية مباشرةً، بينما تُخصص الحلول القائمة على الأجهزة مباشرةً. تُعد العاكسات، وأجهزة UPS، والمحولات تطبيقات مثالية لوحدات التحكم الدقيقة، بينما تُناسب وحدات FPGA معالجة الفيديو والصور نظرًا لقدراتها على المعالجة المتوازية.

متى تستخدم وحدات FPGA ووحدات التحكم الدقيقة

مع ذلك، يعتمد كلاهما على التطبيق. وجد المصممون والمهندسون أن وحدات التحكم الدقيقة (MCUs) أكثر تطورًا في الأنظمة المدمجة نظرًا لصغر حجمها، ولأن معظم التطبيقات تخضع لقيود حجمية، مثل محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر (DC-DC) والعديد من تطبيقات إلكترونيات الطاقة الأخرى. من ناحية أخرى، تتميز وحدات FPGA بالمتانة والكفاءة في الذكاء الاصطناعي، ومعالجة الصور، ومعالجة الفيديو. كما أنها سهلة الاستخدام، ويمكنها إجراء عمليات حسابية معقدة بسرعة أكبر بكثير من وحدات التحكم الدقيقة. ويتطلب استخدام وحدات FPGA خبرة أقل من وحدات التحكم الدقيقة.

FPGA مقابل غيرها

يتم وصف الاختلافات بين FPGA و CPLD و MCUs في هذا القسم.

FPGA مقابل CPLD

FPGA مقابل المعالجات الدقيقة

الخاتمة

تُعدّ كلٌّ من وحدات التحكم الدقيقة (MCUs) ووحدات FPGAs مفيدةً للعديد من التطبيقات الرقمية والكهربائية وتطبيقات الطاقة. تُعدّ المتحكمات الدقيقة اقتصاديةً، وتستهلك طاقةً منخفضةً، وتُعدّ مُلائمةً للبرمجيات، بينما تُعدّ وحدات FPGAs باهظةَ الثمن، وتستهلك طاقةً عاليةً، وسهلةَ التركيب، ولكنها تتمتّع بأداءٍ عالٍ وسهولةٍ في المعالجة المتوازية. تحتفظ وحدات التحكم الدقيقة (MCUs) بوظائفها حتى مع انقطاع التيار الكهربائي بسبب ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، بينما تغيب هذه الميزة في وحدات FPGAs بسبب ذاكرتها المتطايرة. على الرغم من أن كلا النوعين ينطبق على التقنيات القائمة على التصميم، إلا أنه يُمكن للمستخدم مراعاة استهلاك الطاقة، ووقت التطوير، والمعالجة المتوازية، والمرونة في التطبيقات التي تكون فيها وحدات التحكم الدقيقة (MCUs) وحدات FPGAs، حيث يُمكن استخدام كليهما.