现场可编程门阵列 (FPGA) 和微控制器单元 (MCU) 是两种常用于比较的集成电路 (IC)，通常用于嵌入式系统和数字设计。FPGA 和微控制器都可以被视为可以集成到设备和大型系统中的“小型计算机”。
作为处理器，FPGA 和微控制器之间的主要区别在于可编程性和处理能力。虽然 FPGA 功能更强大、用途更广泛，但它们也更昂贵。微控制器的可定制性较差，但成本也较低。在许多应用中，微控制器功能强大且具有成本效益。但是，对于某些要求高或正在开发的应用（例如需要并行处理的应用），FPGA 是必不可少的。
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与微控制器不同，FPGA 在硬件层面上具有可重新编程性。其独特的设计允许用户根据任务配置和重新配置芯片的架构。FPGA 设计还可以同时处理并行输入，而微控制器一次只能读取一行代码。FPGA 可以编程以执行微控制器的功能；但是，微控制器不能重新编程以作为 FPGA 运行。
什么是现场可编程门阵列（FPGA）？
FPGA 于 1985 年由制造商 Xilinx 首次推出，因其多功能性和处理能力而备受推崇。因此，FPGA 成为许多高性能计算 (HPC)、数字信号处理 (DSP) 和原型设计应用的首选。
与传统的专用集成电路 (ASIC) 不同，FPGA 的设计目的是在初始制造过程完成后“现场”配置（和重新配置）。虽然定制是 FPGA 最大的价值所在，但应该注意的是，FPGA 不仅允许可编程，而且需要可编程。与 ASIC 不同，FPGA 不是“开箱即用”的解决方案，在使用之前必须使用硬件描述语言 (HDL)（例如 verilog 或 VHDL）进行配置。对 FPGA 进行编程需要专业知识，这会增加成本并延迟部署。虽然有些 FPGA 确实提供可以在断电时保留编程指令的非易失性存储器，但通常 FPGA 必须在启动时进行配置。
FPGA 优势
尽管存在这些挑战，FPGA 在需要高性能、低延迟和实时灵活性的应用中仍然很有用。FPGA 特别适合需要以下功能的应用：
- 快速成型： FPGA 可以快速配置成多种类型的定制数字电路，从而无需昂贵且耗时的制造过程即可实现快速部署、评估和修改。
- 硬件加速： 要求苛刻的应用程序受益于 FPGA 的并行处理功能。FPGA 可以为信号处理、加密和机器学习算法等计算密集型任务提供显著的性能改进。
- 定制： FPGA 是一种灵活的硬件解决方案，可以轻松优化以满足特定的项目要求。
- 长寿： 基于 FPGA 的设计可能受益于更长的硬件寿命，因为 FPGA 可以更新和重新配置以满足不断变化的项目需求和技术标准。
FPGA 组件
为了实现可重构性，FPGA 由可编程逻辑块阵列组成，这些逻辑块通过可编程布线结构相互连接。典型 FPGA 的主要组件如下：
- 可配置逻辑块 (CLB)： CLB 提供计算功能，可能包含少量原始逻辑元素，例如逻辑门、小型查找表 (LUT)、多路复用器和用于数据存储的触发器。
- 可编程互连： 这些连接由通过电可编程开关连接的线段组成，提供了各个 FPGA 资源之间的路由路径，允许进行不同的配置和创建定制的数字电路。
- 输入/输出块 (IOB)： FPGA 与其他外部设备之间的接口由输入输出 (I/O) 块实现，这使得 FPGA 能够从外围设备接收数据并控制外围设备
FPGA 用例
FPGA 本质上用途广泛，广泛用于各种行业和应用：
- 航空航天和国防： FPGA 可提供对数据采集有价值的高速并行处理，是雷达系统、图像处理和安全通信的首选。
- 工业控制系统 (ICS)： 用于监控电网、炼油厂和水处理厂等基础设施的工业控制系统使用 FPGA，这些系统可以轻松优化以满足各个行业的独特需求。在这些关键行业中，FPGA 可用于实现各种自动化和基于硬件的加密功能，以实现高效的网络安全。
- ASIC 开发： FPGA 经常用于新型 ASIC 芯片的原型设计。
- 汽车： 先进的信号处理也使 FPGA 非常适合汽车应用，包括高级驾驶辅助系统 (ADAS)、传感器融合和 GPS。
- 数据中心： FPGA 通过优化高带宽、低延迟服务器、网络和存储基础设施为数据中心增加价值。
FPGA 特性
- 处理核心： 可配置逻辑块
- 记忆： 外部存储器接口
- 外围设备： 可配置的 I/O 块
- 编程： 硬件描述语言（VHDL、Verilog）
- 可重构性： 高度可重构、可重新编程的逻辑
什么是微控制器？
微控制器是一种紧凑型现成的 ASIC，包含一个或多个处理器核心、内存 (RAM) 和可擦除可编程只读存储器 (EPROM)，用于存储在微控制器上运行的自定义程序。微控制器被称为“片上系统 (SoC)”解决方案，本质上是集成到单个硬件中的小型计算机，可独立使用或用于更大的嵌入式系统。
消费级微控制器（例如 Arduino 入门套件或 Microchip Technology PIC）可使用汇编语言或常见编程语言（C、C++）进行配置，它们因其经济实惠而受到业余爱好者和教育工作者的青睐。微控制器还能够处理更复杂和关键的任务，在工业应用中很常见。然而，处理能力和内存资源的下降会限制微控制器在要求更高的应用中的效率。
微控制器的优势
尽管微控制器存在局限性，但它仍具有许多优点，其中包括：
- 紧凑的设计： 微控制器将所有必要的组件集成到一个小型的单芯片上，提供了较小的占用空间，这对于优先考虑尺寸和重量的应用中很有价值。
- 能源效率： 微控制器设计为低功耗运行，非常适合电池供电的设备和其他需要考虑功耗的应用。
- 成本效益： 微控制器提供完整的 SoC 解决方案，可减少对额外外设和组件的需求。低成本、通用的微控制器可大大降低项目总费用。
- 灵活性： 尽管微控制器的通用性不如 FPGA，但它可以针对各种应用进行编程。虽然无法在硬件层面重新编程，但可以在软件层面轻松重新配置、更新和优化微控制器。
微控制器组件
当可重新编程性不是优先考虑因素时，独立的微控制器可提供一种紧凑且功能强大的替代方案。以下是微控制器的关键组件：
- 中央处理器 (CPU)： 中央处理器（CPU）俗称“大脑”，是负责执行指令和控制操作的核心部件。
- 记忆： 微控制器包含易失性存储器 (RAM)，用于存储系统断电时可能丢失的临时数据，以及非易失性存储器 (ROM、FLASH)，用于存储微控制器的编程代码。
- 外围设备： 根据预期应用，微控制器可能包含各种外围组件，例如输入/输出 (I/O) 接口（如计时器、计数器、模数转换器 (ADC)）和通信协议 (UART、SPI、I2C)。
微控制器用例
与 FPGA 不同，小型、经济实惠、非易失性的微控制器在现代电子产品中随处可见，经常用于执行特定任务，包括：
- 汽车系统： 微控制器用于发动机控制、安全气囊展开和车载信息娱乐系统。
- 消费类电子产品： 微控制器对于智能手机、智能电视和其他家用电器至关重要，尤其是集成到物联网 (IoT) 的设备。
- 工业自动化： 微控制器非常适合工业应用，例如控制机械、监控系统和过程自动化。
- 医疗设备： 微控制器通常部署在救生设备中，例如心脏起搏器、血糖监测仪和诊断工具。
微控制器功能
- 处理核心： 固定 CPU
- 记忆： 集成 RAM 和 ROM/Flash
- 外围设备： 内置 I/O 接口
- 编程： 软件（C、汇编）
- 可重构性： 固件更新有限
FPGA 和微控制器之间的主要区别
比较 FPGA 和微控制器时，重要的是要考虑一些关键差异，包括硬件架构、处理能力、功耗和开发人员要求。
- 硬件结构
- FPGA： 高度可配置的可编程逻辑块和互连，允许重新编程和定制数字电路。
- 微控制器：固定架构，将预定义组件（CPU、内存、外围设备）集成到单个芯片中。
- 处理能力
- FPGA： 先进的并行处理可实现多个同时操作。
- 微控制器：微控制器专为顺序处理而设计，每次只能执行一条指令。
- 能量消耗
- FPGA： 通常比微控制器消耗更多电量。
- 微控制器： 针对低功耗进行了优化，适合电池供电的应用。
- 编程
- FPGA： 需要硬件描述语言的专业知识来配置和调试。
- 微控制器： 可以使用包括Javascript、Python、C、C++和汇编语言在内的软件开发语言进行编程。
- 成本
- FPGA： FPGA 硬件具有更强大的功能，但需要更高级的技能，因此价格通常更昂贵，而且还需要更高的功耗和专业程序员的额外成本。
- 微控制器： 总体而言，这是一种更具成本效益的解决方案，具有现成的可用性、更低的功耗并支持更易于访问的编程语言。
- 多功能性
- FPGA： FPGA 比微控制器灵活得多，允许在硬件层面进行定制。
- 微控制器： 虽然微控制器适用于广泛的应用，但与 FPGA 相比，它仅提供表面的定制。
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