FPGA vs. Microcontrolador: Diferenças Essenciais Explicadas

Um field-programmable gate array (FPGA) e um microcontrolador são semelhantes, mas não idênticos. Ambos são essencialmente "pequenos computadores" ou circuitos integrados embarcados em outros dispositivos e produtos. A principal diferença está no nome: os usuários podem programar o hardware dos FPGAs após a fabricação, tornando-os "programáveis em campo", enquanto os microcontroladores são personalizáveis apenas em um nível mais superficial. Além disso, os FPGAs podem lidar com entradas paralelas, enquanto os microcontroladores leem uma linha de código por vez.

Por permitirem um nível maior de personalização, os FPGAs são mais caros e mais difíceis de programar. Em contrapartida, os microcontroladores são custo-efetivos, mas muito menos personalizáveis. Saiba mais sobre as semelhanças e diferenças entre microcontroladores e FPGAs. Nenhum é necessariamente melhor que o outro — ao decidir qual usar, considere múltiplos fatores.

O que é um Microcontrolador?

Um microcontrolador (MCU) é basicamente um pequeno computador. Ele possui todos os mesmos elementos de outros computadores, incluindo uma unidade central de processamento (CPU), memória de acesso aleatório (RAM) e dispositivos de entrada e saída. Ao contrário de um computador desktop, que pode rodar milhares de programas diferentes, um microcontrolador é um dispositivo de propósito específico que executa um único programa.

Ele é feito para realizar uma tarefa repetidamente, automaticamente ou a pedido do usuário. É embarcado em algum outro dispositivo, seja um produto de consumo, industrial, médico ou de outro tipo. Funciona com baixa energia — seu consumo é medido em miliamperes. Como resultado, os microcontroladores tendem a ser acessíveis. O dispositivo no qual está embarcado, no entanto, pode variar muito em custo.

Você encontra microcontroladores ao seu redor no dia a dia. Aqui estão alguns exemplos de dispositivos de consumo nos quais um microcontrolador está embarcado:

• Teclados
• Monitores
• Impressoras
• Copiadoras
• Máquinas de fax
• Telefones
• Controles remotos de televisão
• Micro-ondas
• Máquinas de lavar e secar
• Aspersores de jardim
• Brinquedos infantis

Além de itens de consumo, os microcontroladores também estão embarcados nos seguintes dispositivos:

• Semáforos
• Sistemas de controle de motor de carros
• Ferramentas elétricas
• Dispositivos médicos implantáveis

Estes são apenas alguns exemplos — os microcontroladores estão embarcados em todo tipo de dispositivo do qual dependemos na sociedade moderna. Cada microcontrolador tem um propósito específico e repetitivo. Pode operar automaticamente usando um sistema de controle por feedback, como em semáforos. Ou pode operar mediante sinais de entrada do usuário, como acionar uma chave ou pressionar um botão. Este último caso se aplica ao seu micro-ondas, máquina de lavar e controle remoto de TV.

O que é um Field Programmable Gate Array?

Um field-programmable gate array é um pouco mais complexo que um microcontrolador. Na maioria das vezes, um chip vem pré-programado. Como usuário, você pode alterar o software, mas não o hardware. Isso nos leva ao elemento definidor de um FPGA — você, o usuário, pode configurar seu hardware após a compra.

Engenheiros acham isso especialmente útil para prototipar seus próprios circuitos integrados específicos de aplicação. Na verdade, a Intel usa uma forma de FPGA para agilizar seu próprio processo de prototipagem. FPGAs também são úteis porque os dispositivos nos quais estão embarcados podem ser alterados sem precisar de hardware totalmente novo.

Segundo o exemplo de "FPGAs for Dummies", regulamentações podem mudar exigindo que câmeras de ré de veículos operem mais rápido. Se essas câmeras rodam em FPGAs, os fabricantes podem fazer essa mudança sem instalar hardware novo e caro. Eles simplesmente reprogramam o FPGA na câmera de ré de cada carro. Carros já em circulação podem ser alterados em vez de se tornarem obsoletos.

Como Funciona?

FPGAs têm um "array" de circuitos de hardware integrados — esses arrays são grupos de blocos lógicos programáveis. Durante a fabricação, um FPGA não foi configurado para ter nenhuma função específica. Em vez disso, o usuário pode configurá-lo e reconfigurá-lo posteriormente da forma que escolher.

O usuário faz isso usando uma hardware description language (HDL). Um FPGA tem blocos lógicos, como AND e XOR, que o usuário pode conectar com interconexões. FPGAs modernos têm muitos portas lógicas e blocos de RAM, então podem acomodar computações complexas. Alguns FPGAs também têm conversores analógico-digitais ou digital-analógicos, semelhantes aos field-programmable analog arrays (FPAAs).

Como São Semelhantes

Tanto FPGAs quanto microcontroladores têm o mesmo propósito básico — ambos são construídos de forma que permite a um fabricante ou usuário final determinar sua função. Ambos executam aplicações específicas e são embarcados dentro de outros dispositivos, seja um semáforo ou máquina de lavar. Essa versatilidade é por que você os encontra em todo lugar. Tudo o que fazemos fica mais fácil graças a esses pequenos circuitos integrados.

Para um olho não treinado, eles parecem aproximadamente iguais. Ambos são chips minúsculos, quadrados e planos, cercados por pinos programáveis. Ambos são essencialmente computadores em miniatura, programados para um propósito distinto. Por essa razão, nem um FPGA nem um microcontrolador podem servir como computador pessoal ou desktop. Em vez disso, seguem comandos para executar uma função em níveis variados de complexidade.

Componentes Básicos

Estes dispositivos têm várias semelhanças fundamentais. Na verdade, são compostos pelos mesmos componentes básicos. Um FPGA e um microcontrolador são ambos circuitos integrados que operam usando lógica de computador e binário.

Um circuito integrado é um conjunto de circuitos eletrônicos em um chip plano, que consiste de material semicondutor — frequentemente silício. Ele pode realizar cálculos e armazenar dados. Circuitos integrados usam tecnologia digital ou analógica — como mencionado acima, alguns FPGAs podem converter entre as duas. Tecnologia digital utiliza lógica binária, enquanto tecnologia analógica determina uma função linear de uma entrada para calcular uma saída.

Este conceito básico, a entrada determinando a saída, descreve como todos os computadores funcionam. Tecnologia digital incorpora um sistema lógico de dois valores, ou binário — um ou zero, ligado ou desligado, sim ou não. É importante entender os fundamentos da lógica de computador ao programar um microcontrolador ou um FPGA.

Personalização

Além disso, tanto FPGAs quanto microcontroladores são programáveis após a produção até certo ponto — significando que um fabricante ou usuário final pode projetar sua função e embarcá-los conforme necessário. É por isso que estes dispositivos têm tantas aplicações em uma ampla gama de indústrias.

O grau em que você pode personalizar um FPGA o diferencia, e é por isso que estes são mais úteis para aplicações complicadas e altamente técnicas. Por outro lado, um microcontrolador é melhor para aplicações mais simples.

Como São Diferentes

A principal diferença entre um FPGA e um microcontrolador é o nível de personalização e complexidade. Eles também variam em preço e facilidade de uso. Essencialmente, um FPGA permite maior personalização e processos mais complexos, bem como alterações retroativas no hardware. Um usuário precisa de mais habilidade e conhecimento para usar um FPGA.

Enquanto FPGAs têm suas vantagens, microcontroladores custam menos e são mais fáceis de usar. A maioria dos hobbyists ou iniciantes se beneficiaria comprando microcontroladores, enquanto empresas de engenharia e fabricantes podem preferir FPGAs.

Microcontroladores

As características definidoras dos microcontroladores incluem:

• São fáceis de usar: Qualquer pessoa com entendimento básico de programação pode programar um microcontrolador. Você pode programar um microcontrolador usando uma linguagem de montagem como JavaScript ou Python, que pode aprender sozinho através de cursos online.
• São acessíveis: Por serem mais simples de produzir em massa, o custo inicial é menor para um microcontrolador do que para um FPGA.
• Nem sempre são ideais para aplicações complexas: O processador dedicado de um microcontrolador lida com todas as entradas e saídas. Como resultado, gargalos podem ocorrer enquanto processos precisam esperar outros resolverem. Como não permitem funções paralelas, microcontroladores são melhores para propósitos mais simples.
• São ideais para aplicações simples: Pense na sua máquina de lavar. Depois de colocar a roupa, você personaliza duas ou três configurações e aperta start. Da mesma forma, seu mouse de computador só precisa saber interpretar algumas entradas — rolar para cima, rolar para baixo, clique esquerdo e clique direito. Para aplicações simples e imutáveis como estas, um microcontrolador é ideal.

FPGAs

Algumas características definidoras dos FPGAs incluem:

• Requerem mais habilidade para usar: Você precisará de mais que um entendimento básico de linguagem de programação para programar um FPGA. Além de conhecimento de uma linguagem de programação, precisará ser capaz de rastrear grandes quantidades de variáveis. Também precisará entender uma hardware description language. Projetar e redesenhar hardware não é tarefa para iniciantes.
• Permitem mais paralelismo: Um FPGA tem milhares de blocos lógicos, todos os quais você pode programar. Você pode criar processos independentes uns dos outros, diminuindo instâncias de gargalos como em microcontroladores.
• Permitem um nível mais alto de personalização: Simplificando, se você souber o que está fazendo, pode fazer muito mais com um FPGA do que com um microcontrolador. Se quiser programar algo complexo, precisará de mais personalização do que um microcontrolador oferece.
• Tendem a custar mais: Uma desvantagem dos FPGAs é que tendem a ser mais caros que microcontroladores. Apesar dos custos iniciais mais altos, podem economizar dinheiro para indústrias que podem precisar fazer alterações retroativas — pense no exemplo da câmera de ré.
• São ideais para aplicações mais complexas: Como FPGAs permitem processos paralelos, você pode implementar mais entradas com um FPGA do que com um microcontrolador, sem enfrentar problemas de gargalo. Isso os torna ideais para operações mais complexas.
• Permitem alteração posterior: Um dos maiores benefícios de um FPGA é que o próprio hardware pode ser alterado após sua programação inicial. Por essa razão, você pode mudar a função de um dispositivo sem substituir completamente seu hardware. Isso é mais custo-efetivo a longo prazo, especialmente para indústrias de produção em massa.

Devo Usar um Microcontrolador ou FPGA na Minha Placa de Circuito Impresso (PCI)?

Uma placa de circuito impresso dá vida a um desenho esquemático. Quanto mais camadas condutivas a placa tem, mais conexões você pode fazer. Uma placa de quatro camadas terá quatro camadas condutivas, com camadas isolantes entre elas. Montar uma PCI requer um bom conhecimento técnico, então estude a terminologia se estiver montando uma pela primeira vez. Você pode optar por contar com um serviço profissional de produção de PCI ou fornecedor de PCI.

Se você usa um microcontrolador ou FPGA na sua PCI deve depender de vários fatores, incluindo:

• O nível de complexidade necessário.
• Seu nível de expertise.
• Seu orçamento, especialmente se precisar comprar em grandes quantidades.
• Alterações retroativas que pode precisar fazer.

O Nível de Complexidade Necessário

FPGAs podem executar múltiplas linhas de código de uma vez, permitindo processos independentes e paralelos. Para aplicações altamente avançadas, essa capacidade é uma necessidade. Um FPGA pode lidar com entradas mais complicadas e realizar operações simultâneas. A desvantagem é que FPGAs requerem temporização e precisão perfeitas para funcionar corretamente. Um pequeno erro pode tornar todo o sistema inútil.

Em contraste, microcontroladores só leem uma linha de código por vez, processando comandos em sequência. Embora isso possa levar a problemas de gargalo, tem suas vantagens. Por serem menos complicados, microcontroladores são mais fáceis de programar e reprogramar usando um método de tentativa e erro. Para aplicações simples, um FPGA pode ser mais complicado que o necessário, e pode tornar a programação mais difícil do que precisa ser.

Se um erro é cometido na programação de um FPGA, reparos são muito mais complexos. Isso nos leva ao próximo ponto: sua escolha entre FPGA vs. microcontrolador precisará depender do seu nível de expertise.

Seu Nível de Expertise

Em termos simples, um FPGA não é a escolha certa para um iniciante. Hardware description languages levam mais tempo e experiência para aprender que linguagens de montagem. Um maior nível de personalização significa que mais habilidade é necessária. Se você tem muita experiência com engenharia de computadores, um FPGA lhe dará um nível atraente de personalização.

Seu Orçamento

Lembre-se que FPGAs tendem a ser mais caros em seu custo inicial que microcontroladores. Se você está procurando programar algo simples, como uma luz com dimerização automática ou um sensor de temperatura, um microcontrolador relativamente custo-efetivo pode ser a melhor opção.

Embora seu custo inicial seja maior, FPGAs podem reduzir despesas depois — especialmente em objetos produzidos em massa que podem precisar ser alterados após a montagem original.

Sua Necessidade de Alteração Retroativa

Por qualquer número de razões, você pode descobrir que precisa alterar o hardware da sua aplicação. Nesse caso, ficará feliz em ter um FPGA. Isso é parte do porquê tantas indústrias preferem FPGAs. Quando leis, padrões, regulamentações ou necessidades mudam, é muito menos caro e demorado alterar FPGAs existentes do que implementar sistemas de hardware totalmente novos.

Saiba Mais Entrando em Contato com a Millennium Circuits

Tanto FPGAs quanto microcontroladores são valiosos para uma ampla variedade de propósitos. Sua versatilidade os empresta a milhares de aplicações, algumas das quais usamos todos os dias. Entender as semelhanças e diferenças entre eles ajudará você a determinar qual é a melhor opção para seus propósitos.

Embora consistam dos mesmos componentes básicos, são diferentes em seu nível de personalização, complexidade, preço e nível de expertise requerido. Escolher um em vez do outro deve depender de múltiplos fatores. Cada solução tem benefícios únicos e potenciais desvantagens.

Seja você projetando um projeto faça-você-mesmo, criando um protótipo para um novo produto ou procurando agilizar um processo técnico, um destes circuitos integrados certamente será útil. Se você tiver alguma dúvida sobre tecnologia FPGA ou microcontrolador usada em PCIs nuas, entre em contato com os especialistas da Millennium Circuits Limited para mais informações.