FPGA ve Mikrodenetleyici Arasındaki Temel Farkları Anlama

Mikrodenetleyiciler ve sahada programlanabilir kapı dizileri (FPGA'ler), dijital sistem tasarımında sıklıkla kullanılmaktadır. Mikrodenetleyici tabanlı sistemler giderek daha popüler hale gelmektedir. Bir yandan düşük maliyetleri, düşük güç tüketimleri ve temel kontrol görevlerine uygunlukları onları bariz bir tercih haline getirmektedir. Diğer yandan, FPGA'lerin hızla artan popülaritesi, güçlü geliştirme araçlarının bulunabilirliği ve artan paralel işlem kapasiteleri ve yoğunlukları, FPGA tabanlı sistemleri cazip bir seçenek haline getirmektedir.

Günümüzde gömülü pazar için, 8051 gibi geleneksel tasarımlardan RISC veya DSP makinelerine kadar çeşitli mikrodenetleyici çekirdekleri mevcuttur. Farklı tasarımlar arasındaki karar, hız, güç, kurulu sistem, yeniden kullanım potansiyeli ve diğer teknik hususlar gibi kriterlere göre belirlenir. Gömülü uygulamalar, bilgisayar sistemlerinde sürekli genişleyen bir çalışma alanıdır. MCU'nun çok sayıda iletişim portu, Darbe Genişlik Modülasyonu (PWM) üniteleri ve Analog-Dijital Dönüştürücülerinin (ADC) tek bir çipte bir araya getirilmesi, onu endüstriyel uygulamalar için ideal hale getirir.

Elektrik mühendisliğinin çeşitli alanlarında, MCU'lar genellikle temel kontrol, iletişim ve düşük karmaşıklık gerektiren görevler için kullanılırken, Saha Programlanabilir Kapı Dizileri (FPGA'lar) yüksek hızlı ve zaman açısından kritik işlem görevleri için kullanılır. Ancak, tüketici elektroniğine entegre cihazlara dayalı uygulamaların çeşitli tasarım kısıtlamaları vardır. Bu durumda, güç tüketimi, kod yoğunluğu ve çevre birimi entegrasyonu, performans gereksinimlerinden daha öncelikli olabilir. Öte yandan, teknolojik açıdan bakıldığında, FPGA'ların artan yoğunlukları ve yüksek üretim hacmi nedeniyle fiyatlarındaki düşüş, gömülü sistemlerin tek bir FPGA çipine entegre edilmesini mümkün kılmaktadır.

Mikrodenetleyici nedir?

Mikrodenetleyici, mikrobilgisayar ailesine ait elektronik bir cihazdır. Mikrodenetleyicinin bileşenleri, tek bir çip oluşturmak için Çok Büyük Ölçekli Entegrasyon (VLSI) yöntemiyle üretilir. Bunlara ayrıca Çip Üzerinde Bilgisayar (Computer-on-chip) denir. Bir mikrodenetleyici, program kodlarını depolamak için belirli miktarda RAM ve ROM (EEPROM, EPROM vb.) veya flaş bellek içerir. Ek özellikleri arasında zamanlayıcılar, paralel portlar, seri portlar, kesme portları, ADC, PWM ve DAC bulunur. Mikrodenetleyici, bellek ve G/Ç yeteneklerine sahip bir mikroişlemcidir. Mikrodenetleyiciler, CPU, bellek ve G/Ç çevre birimlerini tek bir çipte entegre etmeleri nedeniyle gömülü sistemlerde yaygın olarak kullanılır.

PC veya dizüstü bilgisayar, genel amaçlı bir makinedir (oyun oynama, internette gezinme, müzik dinleme, kelime işleme vb. gibi çeşitli görevler için kullanılır). Buna karşılık, gömülü sistemler genellikle belirli görevler için tasarlanmış tek işlevli cihazlardır. Mikrodenetleyici sistemlerinin temel bir özelliği, genellikle tam teşekküllü bir işletim sistemine (örneğin Windows, Linux, macOS, iOS) ihtiyaç duymadan belirli görevleri yerine getirebilmeleridir. Saatler, MP3 çalarlar, otomatlar ve diğer elektronik cihazlar gömülü sistemler içerir. Eksiksiz bir bilgisayar bazen cihazın işlevselliğini engelleyebilir. Bir bulaşık makinesini çalıştırmak için Windows'u başlatmanız gerektiğini düşünün. Şekil 2, bir mikrodenetleyicinin mimarisini göstermektedir.

Derleyiciler, üst düzey programlama dili kodunun hem dil bilgisi hem de bellek ayırma açısından geçerliliğini doğrular. Bu durumlarda, genellikle hatalar veya uyarılar görüntülenir ve hata içeren kodlar mikrodenetleyicide saklanmaz. Kod doğru olduğunda, derleyici onu makine koduna dönüştürür ve mikrodenetleyicinin belleğine yüklenen bir HEX dosyası üretir.

FPGA (Alan Programlanabilir Kapı Dizisi) Nedir?

Alan programlanabilir kapı dizileri (FPGAs), değiştirilebilir (programlanabilir) mantık blokları ve ara bağlantılar içeren dijital entegre devrelerdir (IC'ler). Tasarım mühendisleri, bu tür aygıtları çok çeşitli işlevleri yerine getirecek şekilde programlayabilirler. Yapım biçimlerine bağlı olarak, bazı FPGA'ler yalnızca bir kez programlanabilirken, diğerleri tekrar tekrar programlanabilir. Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, yalnızca bir kez programlanabilen bir aygıta tek seferlik programlanabilir denir.

FPGA'nın adındaki "sahada programlanabilir" ifadesi, programlamanın "sahada" gerçekleştiğine işaret eder (temel işlevleri üretici tarafından sabitlenmiş cihazların aksine). Bu, FPGA'ları laboratuvarda yapılandırmak veya gerçek dünyada halihazırda kullanılan bir elektronik sistemdeki bir cihazın çalışmasını değiştirmek için geçerli olabilir. Bir cihaz daha üst düzey bir sistemde programlanabiliyorsa, sistem içi programlanabilir olarak adlandırılır. Şekil 3, FPGA'nın geliştirme kartını göstermektedir.

FPGA'lar, zaman açısından kritik görevleri hızlandırmak veya tipik ALU'ların işlevselliğini genişletmek için mevcut işlemciler için sıklıkla yardımcı işlemci olarak kullanılır. Örneğin, mikrodenetleyiciler kullanıldığında, ikiden fazla terim içeren denklemlerin hesaplanması bir dizi aritmetik ve/veya mantıksal işlem gerektirir ve çoğu durumda geçici bir değişken atanması gerekir. FPGA'lar, bu tür hesaplamaları paralel olarak ve önemli miktarda kombinasyonel mantık kullanarak tamamlayarak bu tür sistemlerin performansını artırabilir.

Ayrıca, tüm bir hesaplama aygıtının bir FPGA'da oluşturulup uygulandığı özel hesaplama sistemlerinde de yaygın olarak kullanılırlar. Tek çipli mikrodenetleyiciler genellikle kullanılır ve belirli uygulama ihtiyaçları için yeterlidir. Bu durumda, yalnızca istenen uygulama için yazılımın yazılması gerekir. Donanım arayüzü, bu tür sistemlerin tasarımı için olmazsa olmazdır ve genellikle standart, özel yongalar kullanılarak uygulanır. Bu, donanım yeniden tasarlanmadan değiştirilemeyen sabit bir sistemle sonuçlanır. FPGA'ler, bu uygulamalarda önemli bir esneklik sunarak donanım özelleştirmesine ve paralel işlemeye olanak tanır. Şekil 4, bir FPGA geliştirme kartının dahili blok diyagramını göstermektedir.

Mikrodenetleyiciler ve FPGA arasındaki temel farklar

Performans

Mikrodenetleyiciler saat hızına bağlı olduklarından, frekansları tasarıma bağlı olduğundan genellikle FPGA'lardan daha düşük performansa sahiptirler. Bu uygulamaların çoğu görüntü ve video işlemedir.

Güç tüketimi

Mikrodenetleyiciler (MCU'lar), kompakt boyutları sayesinde FPGA'lardan daha az güç tüketir. Mikrodenetleyiciler, pilleri, invertörleri ve dönüştürücüleri çalıştırmak için idealdir. Öte yandan, FPGA'lar görüntü ve video işleme gibi dijital işlemelerde daha iyidir.

Esneklik ve Özelleştirme

FPGA'larda çalışırken donanım kurulumu esnektir, mikrodenetleyicilerde ise tüm değişiklikler yazılım geliştirme yoluyla yapılır. Bu durum, mikrodenetleyicileri FPGA'lara göre daha az esnek hale getirir. MCU'larda yazılım tabanlı özelleştirme avantajlıyken, FPGA'larda donanım tabanlı özelleştirme daha kolaydır.

Geliştirme Süresi ve Karmaşıklık

MCU'lar ve FPGA'lar bellek mimarisi ve performans özellikleri açısından farklılık gösterir. Bir mikrodenetleyicinin kalıcı belleği vardır, yani güç kapatıldıktan sonra MCU'lar belleklerini korurken, FPGA'larda bu özellik yoktur çünkü FPGA'lar Rastgele Erişimli Bellek kullanır. Mikrodenetleyiciler genellikle C/C++ gibi üst düzey diller kullanılarak programlanırken, FPGA geliştirme Verilog veya VHDL gibi donanım tanımlama dilleri gerektirir. Verilog ve FPGA'lar donanım destekli, C/C++ ise yazılım destekli dillerdir.

Mikrodenetleyici ile FPGA Arasındaki Benzerlikler Nelerdir?

Temel Bileşenler

Bir mikrodenetleyici, entegre devrelerle (IC'ler) entegre edildiğinde hiçbir şey ifade etmezken, FPGA'lar çoğunlukla IC'ler ve diğer entegre devrelerden oluşur. Kısacası, her iki teknoloji de entegre devrelerin ve üst düzey dilin bir karışımıdır.

Özelleştirme

Üretimden sonra hem FPGA'lar hem de mikrodenetleyiciler yeniden programlanabilir ve altyapı oluşturulduktan sonra işlevlerinde değişiklik yapılabilir. Ancak FPGA'lar çoğunlukla yüksek performanslı uygulamalar için uygunken, Arduino gibi MCU'lar daha basit uygulamalar için de oldukça uygundur.

FPGA'lar ve Mikrodenetleyiciler için Uygulamalar

Mikrodenetleyiciler düşük maliyetle yaygın olarak bulunur ve güç ve elektronik uygulamaları için çok çeşitli özellikler sunar. Ancak, MCU'ları kullanmak C/C++ gibi üst düzey dillerde uzmanlık gerektirir. Diğer yandan, FPGA'lar daha pahalıdır ancak kullanıcı dostudur. Mikrodenetleyiciler düşük güçte verimli çalışır, bu da enerji ihtiyacını azaltır. Diğer yandan, FPGA'lar yüksek güç gerektirir ve bu da çalışması için daha fazla enerji gerektirir. Yazılım tabanlı çözümler doğrudan özelleştirilmezken, donanım tabanlı çözümler doğrudan özelleştirilir. İnvertörler, UPS ve dönüştürücüler MCU'lar için ideal uygulamalardır; paralel işleme yetenekleri nedeniyle video ve görüntü işleme ise FPGA'lar için daha uygundur.

FPGA'lar ve Mikrodenetleyiciler Ne Zaman Kullanılmalıdır?

Her ikisi de uygulamaya bağlıdır. Tasarımcılar ve mühendisler, kompakt boyutları ve DC-DC dönüştürücüler ve diğer birçok güç elektroniği uygulaması gibi çoğu uygulamanın boyut kısıtlamaları nedeniyle gömülü sistemlerde MCU'ları daha gelişmiş bulmuşlardır. Öte yandan, FPGA'lar yapay zeka, görüntü işleme ve video işlemede dayanıklı ve verimlidir. FPGA'lar kullanıcı dostudur ve ağır hesaplamaları MCU'lardan çok daha hızlı gerçekleştirebilir. FPGA'ları kullanmak için MCU'lara kıyasla kullanıcıdan daha az uzmanlık gerekir.

FPGA ve diğerleri

Bu bölümde FPGA, CPLD ve MCU’lar arasındaki farklar açıklanmaktadır.

FPGA ve CPLD

FPGA ve Mikroişlemci

Sonuç

MCU'lar ve FPGA'lar birçok dijital, elektriksel ve güç uygulaması için faydalıdır. Mikrodenetleyiciler ekonomiktir, düşük güç tüketir ve yazılıma uygundur; FPGA'lar ise pahalıdır, yüksek güç tüketir ve donanım dostudur ancak yüksek performans ve paralel işlem kolaylığı sunar. MCU'lar, RAM nedeniyle güç kapalıyken bile işlevlerini korurken, FPGA'larda bu özellik değişken bellekleri nedeniyle yoktur. Her ikisi de tasarım tabanlı teknolojiler için geçerli olsa da, bir kullanıcı MCU'ların FPGA olarak kullanıldığı bir uygulamada güç tüketimini, geliştirme süresini, paralel işlemeyi ve esnekliği göz önünde bulundurabilir.