FPGA vs. Microcontrolador: Comprender las diferencias clave

Tanto los microcontroladores como las matrices de puertas programables en campo (FPGA) se utilizan con frecuencia en el diseño de sistemas digitales. Los sistemas basados ​​en microcontroladores son cada vez más populares. Por un lado, su bajo coste, bajo consumo de energía y su idoneidad para tareas de control básicas los convierten en una opción obvia. Por otro lado, la creciente popularidad de las FPGA, la disponibilidad de herramientas de desarrollo robustas y su mayor capacidad y densidad de procesamiento paralelo convierten a los sistemas basados ​​en FPGA en una opción atractiva.

Actualmente, existen diversos núcleos de microcontroladores disponibles para el mercado de sistemas integrados, desde diseños convencionales como el 8051 hasta máquinas RISC o DSP. La decisión entre los diferentes diseños se basa en criterios como la velocidad, la potencia, la base instalada, el potencial de reutilización y otras consideraciones técnicas. Las aplicaciones integradas son un tema de estudio en constante expansión en los sistemas informáticos. La gran cantidad de puertos de comunicación, unidades de Modulación por Ancho de Pulso (PWM) y convertidores analógico-digitales (ADC) del MCU, integrados en un solo chip, lo hacen ideal para aplicaciones industriales.

En diversos campos de la ingeniería eléctrica, los microcontroladores (MCU) se utilizan habitualmente para tareas básicas de control, comunicación y baja complejidad, mientras que las matrices de puertas programables en campo (FPGA) se emplean para tareas de procesamiento de alta velocidad y con tiempos críticos. Sin embargo, las aplicaciones basadas en dispositivos integrados en electrónica de consumo presentan diversas restricciones de diseño. En estas circunstancias, el consumo de energía, la densidad de código y la integración de periféricos podrían priorizar los requisitos de rendimiento. Por otro lado, desde un punto de vista tecnológico, la creciente densidad de FPGAs y la reducción de sus precios debido al alto volumen de fabricación permiten la integración de sistemas embebidos en un único chip FPGA.

¿Qué es un microcontrolador?

Un microcontrolador es un dispositivo electrónico perteneciente a la familia de las microcomputadoras. Sus componentes se fabrican mediante integración a muy gran escala (VLSI) para formar un único chip. También se conocen como computadoras en chip (computadora en chip). Un microcontrolador cuenta con una cantidad determinada de RAM y ROM (EEPROM, EPROM, etc.) o memorias flash para almacenar códigos de programa. Otras características incluyen temporizadores, puertos paralelos, puertos serie, puertos de interrupción, ADC, PWM y DAC. Un microcontrolador es un microprocesador con memoria y capacidades de E/S. Los microcontroladores se utilizan ampliamente en sistemas embebidos debido a su integración de CPU, memoria y periféricos de E/S en un único chip.

Una PC o portátil es una máquina de uso general (se utiliza para diversas tareas, como juegos, navegación por internet, música, procesamiento de textos, etc.). En cambio, los sistemas embebidos suelen ser dispositivos monofuncionales diseñados para tareas específicas. Una característica clave de los sistemas de microcontroladores es que suelen realizar tareas específicas sin necesidad de un sistema operativo completo (p. ej., Windows, Linux, macOS, iOS). Relojes, reproductores de MP3, máquinas expendedoras y otros dispositivos electrónicos contienen sistemas embebidos. Una computadora completa a veces interferiría con la funcionalidad del dispositivo. Imagine que necesita iniciar Windows para usar un lavavajillas. La Figura 2 muestra la arquitectura de un microcontrolador.

Los compiladores verifican la validez del código de un lenguaje de programación de alto nivel, tanto en gramática como en asignación de memoria. En estas circunstancias, suelen presentarse fallos o advertencias, y los códigos con errores no se almacenan en el microcontrolador. Una vez que el código es correcto, el compilador lo transforma a código máquina y genera un archivo HEX que se carga en la memoria del microcontrolador.

¿Qué es un FPGA (matriz de puertas programables en campo)?

Matrices de puertas programables en campo (FPGALos s) son circuitos integrados digitales (CI) que incluyen bloques lógicos programables e interconexiones. Los ingenieros de diseño pueden programar estos dispositivos para ejecutar una amplia gama de funciones. Dependiendo de su construcción, algunos FPGA solo pueden programarse una vez, mientras que otros pueden programarse repetidamente. Como era de esperar, un dispositivo que solo puede programarse una vez se conoce como programable una sola vez.

La parte "programable en campo" del nombre de la FPGA alude a que la programación se realiza "en campo" (a diferencia de los dispositivos cuya funcionalidad principal viene preconfigurada por el fabricante). Esto podría aplicarse a la configuración de FPGAs en el laboratorio o a la modificación del funcionamiento de un dispositivo en un sistema electrónico ya implementado en el mundo real. Si un dispositivo puede programarse mientras permanece en un sistema de nivel superior, se dice que es programable en el sistema. La Figura 3 muestra la placa de desarrollo de la FPGA.

Las FPGA se emplean frecuentemente como coprocesadores para procesadores existentes, ya sea para acelerar tareas de tiempo crítico o para ampliar la funcionalidad de las ALU típicas. Por ejemplo, al usar microcontroladores, calcular ecuaciones con más de dos términos requiere una serie de operaciones aritméticas y/o lógicas, y en muchas circunstancias, es necesario asignar una variable temporal. Las FPGA pueden mejorar el rendimiento de estos sistemas al realizar dichos cálculos en paralelo, utilizando una buena dosis de lógica combinacional.

También se emplean comúnmente en sistemas informáticos a medida, donde se crea e implementa un dispositivo computacional completo en una FPGA. Los microcontroladores de un solo chip se utilizan con frecuencia y son suficientes para ciertas necesidades de aplicación. En este caso, solo es necesario escribir el software para la aplicación deseada. La interfaz de hardware es esencial para el diseño de estos sistemas y suele implementarse mediante chips especializados estándar. Esto da como resultado un sistema fijo que no se puede modificar sin un rediseño de hardware. Las FPGA ofrecen una gran flexibilidad en estas aplicaciones, permitiendo la personalización del hardware y el procesamiento en paralelo. La Figura 4 representa el diagrama de bloques interno de una placa de desarrollo de FPGA.

Diferencias clave entre microcontroladores y FPGA

Rendimiento

Dado que los microcontroladores dependen de la velocidad de reloj, suelen tener un rendimiento inferior al de los FPGA, ya que su frecuencia depende del diseño. La mayoría de estas aplicaciones son de procesamiento de imágenes y vídeo.

Consumo de energía

Los microcontroladores (MCU) consumen menos energía que los FPGA debido a su tamaño compacto. Son ideales para el funcionamiento de baterías, inversores y convertidores. Por otro lado, los FPGA son más eficaces en el procesamiento digital de imágenes y vídeo.

Flexibilidad y personalización

La configuración del hardware es flexible en los FPGA, mientras que en los microcontroladores todas las modificaciones se realizan mediante desarrollo de software. Esto hace que los microcontroladores sean menos flexibles que los FPGA. La personalización basada en software es favorable en los MCU, mientras que la personalización basada en hardware es más sencilla en los FPGA.

Tiempo de desarrollo y complejidad

Los MCU y los FPGA difieren en cuanto a la arquitectura de memoria y las características de rendimiento. Un microcontrolador tiene memoria no volátil, lo que significa que, tras apagarse, los MCU conservan su memoria. Esta característica no está presente en los FPGA debido a la memoria de acceso aleatorio (RAM). Los microcontroladores se suelen programar con lenguajes de alto nivel como C/C++, mientras que el desarrollo de FPGA requiere lenguajes de descripción de hardware como Verilog o VHDL. Verilog y los FPGA son compatibles con hardware, mientras que C/C++ son compatibles con software.

¿Similitudes entre Microcontrolador y FPGA?

Componentes básicos

Un microcontrolador no es nada si está integrado con circuitos integrados (CI), mientras que las FPGAs contienen principalmente CI y otros circuitos integrados. En resumen, ambas tecnologías son una combinación de circuitos integrados y lenguaje de alto nivel.

Personalización

Tras la fabricación, tanto los FPGA como los microcontroladores son reprogramables, y su función puede modificarse tras construir la infraestructura. Sin embargo, los FPGA son más adecuados para aplicaciones de alto nivel, mientras que los microcontroladores como Arduino también son adecuados para aplicaciones más sencillas.

Aplicaciones para FPGAs y microcontroladores

Los microcontroladores están ampliamente disponibles a bajo costo y ofrecen una amplia gama de funciones para aplicaciones de potencia y electrónica. Sin embargo, el uso de MCU requiere experiencia en lenguajes de alto nivel como C/C++. Por otro lado, las FPGA son más caras, pero mucho más fáciles de usar. Los microcontroladores funcionan eficientemente con bajo consumo, lo que reduce el consumo de energía. Por otro lado, las FPGA requieren alta potencia, lo que requiere más energía para su funcionamiento. Las soluciones basadas en software no se personalizan directamente, mientras que las soluciones basadas en hardware sí lo hacen. Los inversores, SAI y convertidores son aplicaciones ideales para los MCU, mientras que el procesamiento de vídeo e imágenes es más adecuado para las FPGA debido a sus capacidades de procesamiento en paralelo.

Cuándo utilizar FPGAs y microcontroladores

Aunque ambos dependen de la aplicación, los diseñadores e ingenieros consideraron que los MCU son más sofisticados en sistemas embebidos debido a su tamaño compacto, y la mayoría de las aplicaciones tienen limitaciones de tamaño, como los convertidores CC-CC y muchas otras aplicaciones de electrónica de potencia. Por otro lado, los FPGA son duraderos y eficientes en inteligencia artificial, procesamiento de imágenes y procesamiento de vídeo. Los FPGA son fáciles de usar y pueden realizar cálculos complejos mucho más rápido que los MCU. El uso de FPGA requiere menos experiencia que el de MCU.

FPGA vs otros

En esta sección se describen las diferencias entre FPGA, CPLD y MCU.

FPGA frente a CPLD

FPGA frente a microprocesador

Conclusión

Tanto los MCU como las FPGA son beneficiosos para numerosas aplicaciones digitales, eléctricas y de potencia. Los microcontroladores son económicos, consumen poca energía y son compatibles con el software, mientras que las FPGA son costosas, consumen mucha energía y son compatibles con el hardware, pero ofrecen un alto rendimiento y facilidad de procesamiento en paralelo. Los MCU conservan sus funciones incluso sin alimentación gracias a la RAM, mientras que esta característica no está presente en las FPGA debido a su memoria volátil. Aunque ambas se aplican a tecnologías basadas en diseño, el usuario puede considerar el consumo de energía, el tiempo de desarrollo, el procesamiento en paralelo y la flexibilidad para una aplicación donde se pueden utilizar MCU y FPGA.