FPGA vs. Microcontrolador: Diferencias Clave Explicadas

Un array de puertas programable en campo (FPGA) y un microcontrolador son similares, pero no idénticos. Ambos son esencialmente "pequeños computadores" o circuitos integrados embebidos en otros dispositivos y productos. La diferencia principal radica en el nombre: los usuarios pueden programar el hardware de las FPGA después de la fabricación, lo que las hace "programables en campo", mientras que los microcontroladores solo son personalizables a un nivel más superficial. Además, las FPGA pueden manejar entradas en paralelo, mientras que los microcontroladores leen una línea de código a la vez.

Debido a que permiten un mayor nivel de personalización, las FPGA son más costosas y difíciles de programar. En contraste, los microcontroladores son rentables pero mucho menos personalizables. Conozca más sobre las similitudes y diferencias entre microcontroladores y FPGA. Ninguno es necesariamente mejor que el otro; al decidir cuál usar, considere múltiples factores.

¿Qué es un Microcontrolador?

Un microcontrolador (MCU) es básicamente un pequeño computador. Tiene todos los mismos elementos que otros computadores, incluyendo una unidad central de procesamiento (CPU), memoria de acceso aleatorio (RAM) y dispositivos de entrada y salida. A diferencia de un computador de escritorio, que puede ejecutar miles de programas diferentes, un microcontrolador es un dispositivo de propósito especial que ejecuta un solo programa.

Está diseñado para hacer una cosa repetidamente, de forma automática o a petición del usuario. Se encuentra embebido en algún otro dispositivo, ya sea de consumo, manufactura, médico u otro tipo de producto. Funciona con baja energía; su consumo de energía es medible en miliamperios. Como resultado, los microcontroladores tienden a ser asequibles. El dispositivo en el que está embebido puede variar mucho en costo, sin embargo.

Encuentra microcontroladores a tu alrededor en la vida cotidiana. Aquí hay algunos dispositivos de consumo en los que está embebido un microcontrolador:

• Teclados
• Monitores
• Impresoras
• Fotocopiadoras
• Máquinas de fax
• Teléfonos
• Controles remotos de televisión
• Microondas
• Lavadoras y secadoras
• Aspersores de césped
• Juguetes infantiles

Además de artículos de consumo, los microcontroladores también están embebidos en los siguientes dispositivos:

• Semáforos
• Sistemas de control de motor de automóviles
• Herramientas eléctricas
• Dispositivos médicos implantables

Estos son solo algunos ejemplos; los microcontroladores están embebidos en todo tipo de dispositivos en los que confiamos en la sociedad moderna. Cada microcontrolador tiene un propósito específico y repetitivo. Puede operar automáticamente usando un sistema de control de retroalimentación, como en los semáforos. O puede operar mediante señales de entrada del usuario, como accionar un interruptor o presionar un botón. Este último concepto es cierto para tu microondas, lavadora y control remoto de televisión.

¿Qué es un Array de Puertas Programable en Campo?

Un array de puertas programable en campo es un poco más complicado que un microcontrolador. La mayoría de las veces, un chip viene preprogramado. Como usuario, puedes cambiar el software, pero no el hardware. Esto nos lleva al elemento definitorio de una FPGA: tú, el usuario, puedes configurar su hardware después de la compra.

Los ingenieros encuentran esto especialmente útil para prototipar sus propios circuitos integrados específicos de aplicación. De hecho, Intel usa una forma de FPGA para agilizar su propio proceso de prototipado. Las FPGA también son útiles porque los dispositivos en los que están embebidas pueden alterarse sin necesidad de hardware completamente nuevo.

Según el ejemplo de "FPGAs for Dummies", las regulaciones podrían cambiar para exigir que las cámaras de visión trasera de los vehículos operen más rápido. Si estas cámaras funcionan con FPGA, los fabricantes pueden hacer este cambio sin instalar hardware nuevo y costoso. Simplemente pueden reprogramar la FPGA en la cámara de visión trasera de cada auto. Los autos que ya están en la carretera pueden modificarse en lugar de volverse obsoletos.

¿Cómo Funciona?

Las FPGA tienen un "array" de circuitos de hardware integrados; estos arrays son grupos de bloques lógicos programables. Durante la fabricación, una FPGA no ha sido configurada para tener ninguna función particular. En su lugar, el usuario puede configurarla y reconfigurarla como elija.

El usuario hace esto usando un lenguaje de descripción de hardware (HDL). Una FPGA tiene bloques lógicos, como AND y XOR, que el usuario puede unir con interconexiones. Las FPGA modernas tienen muchas compuertas lógicas y bloques de RAM, por lo que pueden acomodar computaciones complejas. Algunas FPGA también tienen convertidores analógico-digitales o digital-analógicos, similares a los arrays analógicos programables en campo (FPAA).

Similitudes

Tanto las FPGA como los microcontroladores tienen el mismo propósito básico: ambos están construidos de manera que permite a un fabricante o usuario final determinar su función. Ambos realizan aplicaciones específicas y están embebidos dentro de otros dispositivos, ya sea un semáforo o una lavadora. Esta versatilidad es por la que los encuentras a tu alrededor. Todo lo que hacemos es más fácil gracias a estos pequeños circuitos integrados.

Para un ojo no entrenado, se ven aproximadamente igual. Ambos son chips planos, cuadrados, diminutos, rodeados de pines programables. Ambos son esencialmente computadoras en miniatura, programadas para un propósito distinto. Por esta razón, ni una FPGA ni un microcontrolador pueden servir como computadora personal o de escritorio. En su lugar, siguen comandos para realizar una función a diversos niveles de complejidad.

Componentes Básicos

Estos dispositivos tienen varias similitudes fundamentales. De hecho, están compuestos por los mismos componentes básicos. Una FPGA y un microcontrolador son ambos circuitos integrados que operan usando lógica computacional y binario.

Un circuito integrado es un conjunto de circuitos electrónicos en un chip plano, que consiste en material semiconductor, a menudo silicio. Puede realizar cálculos y almacenar datos. Los circuitos integrados usan tecnología digital o analógica; como se mencionó, algunas FPGA pueden convertir entre ambas. La tecnología digital utiliza lógica binaria, mientras que la tecnología analógica determina una función lineal de una entrada para calcular una salida.

Este concepto básico, la entrada determinando la salida, describe cómo funcionan todas las computadoras. La tecnología digital incorpora un sistema lógico de dos valores, o binario: uno o cero, encendido o apagado, sí o no. Es importante entender los fundamentos de la lógica computacional al programar un microcontrolador o una FPGA.

Personalización

Además, tanto las FPGA como los microcontroladores son programables después de la producción en cierta medida, lo que significa que un fabricante o usuario final puede diseñar su función y embeberlos según sea necesario. Por eso estos dispositivos tienen tantas aplicaciones en una amplia gama de industrias.

El grado en que puedes personalizar una FPGA la distingue, por lo que son más útiles para aplicaciones complejas y altamente técnicas. Por otro lado, un microcontrolador es mejor para aplicaciones más simples.

Diferencias

La diferencia principal entre una FPGA y un microcontrolador es el nivel de personalización y complejidad. También varían en precio y facilidad de uso. Esencialmente, una FPGA permite mayor personalización y procesos más complejos, así como cambios retroactivos en el hardware. Un usuario necesita más habilidad y conocimiento para usar una FPGA.

Si bien las FPGA tienen sus ventajas, los microcontroladores cuestan menos y son más fáciles de usar. La mayoría de los aficionados o principiantes se beneficiarían comprando microcontroladores, mientras que las empresas de ingeniería y fabricantes pueden preferir las FPGA.

Microcontroladores

Las características definitorias de los microcontroladores incluyen:

• Son fáciles de usar: Cualquiera con una comprensión básica de codificación puede programar un microcontrolador. Puedes programar un microcontrolador usando un lenguaje de ensamblaje como JavaScript o Python, que puedes aprender por tu cuenta a través de cursos en línea.
• Son asequibles: Porque son más simples de producir en masa, el costo inicial es menor para un microcontrolador que para una FPGA.
• No siempre son ideales para aplicaciones complejas: El procesador dedicado de un microcontrolador maneja todas las entradas y salidas. Como resultado, pueden ocurrir cuellos de botella cuando los procesos tienen que esperar a que otros se resuelvan. Como no permiten funciones paralelas, los microcontroladores son mejores para propósitos más simples.
• Son ideales para aplicaciones simples: Piensa en tu lavadora. Después de poner la ropa, personalizas dos o tres ajustes y presionas inicio. De manera similar, tu ratón de computadora solo necesita interpretar unas pocas entradas: desplazamiento arriba, abajo, clic izquierdo y derecho. Para aplicaciones simples e inmutables como estas, un microcontrolador es ideal.

FPGA

Algunas características definitorias de las FPGA incluyen:

• Requieren más habilidad para usar: Necesitarás más que una comprensión básica de lenguaje de codificación para programar una FPGA. Además del conocimiento de un lenguaje de codificación, necesitarás poder rastrear grandes cantidades de variables. También necesitarás entender un lenguaje de descripción de hardware. Diseñar y rediseñar hardware no es una tarea para principiantes.
• Permiten más paralelismo: Una FPGA tiene miles de bloques lógicos, todos los cuales puedes programar. Puedes crear procesos independientes entre sí, disminuyendo instancias de cuellos de botella como con los microcontroladores.
• Permiten un mayor nivel de personalización: En términos simples, si sabes lo que haces, puedes hacer mucho más con una FPGA que con un microcontrolador. Si quieres programar algo complicado, necesitarás más personalización de la que proporciona un microcontrolador.
• Tienden a costar más: Un inconveniente de las FPGA es que tienden a ser más caras que los microcontroladores. A pesar de los costos iniciales más altos, pueden ahorrar dinero a industrias que puedan necesitar hacer cambios retroactivos; piensa en el ejemplo de la cámara de visión trasera.
• Son ideales para aplicaciones más complejas: Porque las FPGA permiten procesos paralelos, puedes implementar más entradas con una FPGA que con un microcontrolador, sin encontrarte con problemas de cuellos de botella. Esto las hace ideales para operaciones más complejas.
• Permiten alteraciones posteriores: Uno de los mayores beneficios de una FPGA es que el hardware mismo puede cambiarse después de su programación inicial. Por esta razón, puedes cambiar la función de un dispositivo sin reemplazar completamente su hardware. Esto es más rentable a largo plazo, especialmente para industrias de producción en masa.

¿Debo Usar un Microcontrolador o una FPGA en Mi Placa de Circuito Impreso (PCB)?

Una placa de circuito impreso da vida a un dibujo esquemático. Cuantas más capas conductoras tenga la placa, más conexiones podrás hacer. Una placa de cuatro capas tendrá cuatro capas conductoras, con capas aislantes entre ellas. Ensamblar una PCB requiere un buen conocimiento técnico, así que infórmate sobre la terminología si estás ensamblando una por primera vez. Puedes optar por confiar en un servicio profesional de producción de PCB o proveedor de PCB.

Si usas un microcontrolador o una FPGA en tu PCB debe depender de varios factores, incluyendo:

• El nivel de complejidad necesario.
• Tu nivel de experiencia.
• Tu presupuesto, especialmente si necesitas comprar al por mayor.
• Alteraciones retroactivas que puedas necesitar hacer.

El Nivel de Complejidad Necesario

Las FPGA pueden ejecutar múltiples líneas de código a la vez, permitiendo procesos independientes y paralelos. Para aplicaciones altamente avanzadas, esta capacidad es una necesidad. Una FPGA puede manejar entradas más complicadas y realizar operaciones simultáneas. El inconveniente es que las FPGA requieren sincronización y precisión perfectas para funcionar correctamente. Un pequeño error puede dejar todo el sistema inútil.

En contraste, los microcontroladores solo leen una línea de código a la vez, procesando comandos en secuencia. Aunque esto puede llevar a problemas de cuellos de botella, tiene sus ventajas. Porque son menos complicados, los microcontroladores son más fáciles de programar y reprogramar usando un método de prueba y error. Para aplicaciones simples, una FPGA puede ser más complicada de lo necesario y puede hacer que la programación sea más difícil de lo que necesita ser.

Si se comete un error en la programación de una FPGA, las reparaciones son mucho más complejas. Esto nos lleva al siguiente punto: tu elección entre una FPGA vs. un microcontrolador dependerá de tu nivel de experiencia.

Tu Nivel de Experiencia

En términos simples, una FPGA no es la opción correcta para un principiante. Los lenguajes de descripción de hardware toman más tiempo y experiencia para aprender que los lenguajes de ensamblaje. Un mayor nivel de personalización significa que se requiere más habilidad. Si tienes mucha experiencia en ingeniería informática, una FPGA te brindará un atractivo nivel de personalización.

Tu Presupuesto

Ten en cuenta que las FPGA tienden a ser más caras en su costo inicial que los microcontroladores. Si buscas programar algo simple, como una luz de atenuación automática o un sensor de temperatura, un microcontrolador relativamente rentable podría ser la mejor opción.

Aunque su costo inicial es mayor, las FPGA pueden reducir gastos más adelante, especialmente en objetos producidos en masa que puedan necesitar alteraciones después del ensamblaje original.

Tu Necesidad de Alteración Retroactiva

Por diversas razones, puedes descubrir que necesitas alterar el hardware de tu aplicación. En ese caso, te alegrarás de tener una FPGA. Esta es parte de la razón por la que tantas industrias prefieren las FPGA. Cuando cambian leyes, estándares, regulaciones o necesidades, es mucho menos costoso y lento alterar FPGA existentes que implementar sistemas de hardware completamente nuevos.

Aprende Más Contactando a Millennium Circuits

Tanto las FPGA como los microcontroladores son valiosos para una amplia variedad de propósitos. Su versatilidad los presta a miles de aplicaciones, algunas de las cuales usamos cada día. Entender las similitudes y diferencias entre ellos te ayudará a determinar cuál es la mejor opción para tus propósitos.

Si bien consisten en los mismos componentes básicos, difieren en su nivel de personalización, complejidad, precio y nivel de experiencia requerido. Elegir uno sobre el otro debe depender de múltiples factores. Cada solución tiene beneficios únicos y posibles inconvenientes.

Ya sea que estés diseñando un proyecto de bricolaje, creando un prototipo para un nuevo producto o buscando agilizar un proceso técnico, uno de estos circuitos integrados seguramente será útil. Si tienes alguna pregunta sobre tecnología FPGA o microcontrolador usada en PCB base, contacta a los expertos de Millennium Circuits Limited para más información.