FPGA vs MCU: Hauptunterschiede & Wann man sie verwenden sollte

FPGA (Field-Programmable Gate Array) und MCU (Microcontroller Unit) sind beide beliebte Komponenten in der Elektronik, dienen aber unterschiedlichen Zwecken und haben unterschiedliche Architekturen.  

1. Architektur:

• FPGA (Field-Programmable Gate Array) besteht aus einem Array programmierbarer Logikblöcke, die so konfiguriert werden können, dass sie spezifische Hardwareaufgaben ausführen. Es handelt sich dabei in erster Linie um ein Hardwaregerät, das durch das Definieren von Logikschaltungen „programmiert“ wird.
• MCU (Microcontroller Unit) ist ein kleiner Computer auf einem Chip, der einen Prozessor (CPU), Speicher und Peripheriegeräte enthält. Er führt Software aus, um Steueraufgaben zu erledigen und ist somit eher ein Allzweckprozessor.

2. Programmiermodell:

• FPGA: Die Logik wird mit Hardwarebeschreibungssprachen (HDLs) wie VHDL oder Verilog geschrieben. Diese Beschreibung definiert, wie Daten durch Schaltungen fließen und wie das Gerät funktioniert.
• MCU: Software wird in Hochsprachen wie C oder C++ geschrieben, um Peripheriegeräte zu steuern und Aufgaben auszuführen.

3. Flexibilität:

• FPGA: Sehr flexibel in Bezug auf die Hardware. Man kann benutzerdefinierte digitale Schaltungen mit Logikgattern erstellen, die zum Beispiel für Parallelverarbeitung genutzt werden können.
• MCU: Weniger flexibel in Bezug auf die Hardware, da es sich um ein festgelegtes System (CPU + Peripherie) handelt, aber flexibel in Bezug auf Software, da man eine Vielzahl von Programmen zur Steuerung schreiben kann.

4. Parallelität:

• FPGA: Kann viele Aufgaben parallel ausführen, da es für die parallele Hardwareausführung maßgeschneidert ist. Dies ist ideal für Aufgaben wie Signalverarbeitung oder Bildverarbeitung.
• MCU: Arbeitet sequenziell und führt jeweils nur eine Anweisung nach der anderen aus, was es für Steueranwendungen geeignet macht, aber nicht für parallele Verarbeitungsaufgaben.

5. Leistung:

• FPGA: Bietet eine hohe Leistung für spezialisierte Aufgaben, insbesondere solche, die parallele Datenverarbeitung oder benutzerdefinierte Hardwarelogik erfordern.
• MCU: Die Leistung ist durch die Taktfrequenz und die Architektur des Prozessors begrenzt. Sie eignet sich jedoch gut für Aufgaben, die sequentielle Steuerung erfordern, wie etwa das Überwachen von Sensoren oder das Steuern einfacher Geräte.

6. Stromverbrauch:

• FPGA: Tendenziell höherer Stromverbrauch aufgrund der hohen Parallelität und Komplexität. Neuere FPGAs können jedoch für eine bessere Energieeffizienz optimiert werden.
• MCU: In der Regel energieeffizienter, da sie für batteriebetriebene Geräte und eingebettete Systeme entwickelt wurden, die lange Betriebszeiten benötigen.

7. Kosten:

• FPGA: In der Regel teurer als MCUs, insbesondere bei leistungsstärkeren FPGAs, aufgrund ihrer höheren Komplexität und Flexibilität.
• MCU: Günstiger und in einer Vielzahl von kostengünstigen Varianten erhältlich.

Wann sollte man FPGA verwenden?

FPGAs sind ideal, wenn man benutzerdefinierte Hardwarebeschleunigung oder die Fähigkeit zur parallelen Verarbeitung benötigt. Sie eignen sich besonders in den folgenden Szenarien:

• Leistungsstarke Parallelverarbeitung: Aufgaben wie digitale Signalverarbeitung (DSP), Bildverarbeitung, Video-Encoding/Decoding und Kryptografie, bei denen eine hohe Datenmenge gleichzeitig verarbeitet werden muss.
• Benutzerdefinierte Hardwaregestaltung: Wenn man benutzerdefinierte, anwendungsspezifische Hardware benötigt, die mit allgemeinen Mikrocontrollern nicht einfach realisiert werden kann. Beispielsweise kann man benutzerdefinierte Datenpfade für Kommunikationsprotokolle oder hochoptimierte Beschleuniger für Algorithmen entwerfen.
• Prototyping: Wenn man eine benutzerdefinierte Schaltung entwirft und die Hardwarelogik testen möchte, bevor man sich für ein ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) entscheidet. FPGAs eignen sich hervorragend für schnelles Prototyping.
• Low-Latency-Anwendungen: Anwendungen wie Netzwerkschaltpakete oder Hochgeschwindigkeitskommunikationssysteme, bei denen Latenz kritisch ist und Parallelität erforderlich ist.

Wann sollte man MCU verwenden?

Mikrocontroller sind am besten geeignet für Anwendungen, die Steuerung, Überwachung und eingebettete Systemfunktionen erfordern. Man könnte sich für einen MCU entscheiden, wenn:

• Einfache Steuerungssysteme: Zum Beispiel für Hausautomation, Robotik oder einfache Konsumgüter, bei denen Geräte, Sensoren oder Aktuatoren auf einfache und sequentielle Weise gesteuert werden müssen.
• Energieeffiziente Geräte: Wenn der Stromverbrauch ein wichtiger Faktor ist, wie bei batteriebetriebenen Geräten, Wearables oder IoT-Geräten. MCUs können in extrem stromsparenden Modi arbeiten.
• Kostenbewusste Projekte: Wenn man an einem kostengünstigen Projekt arbeitet, das keine hohe Rechenleistung erfordert, sind MCUs günstiger und in großer Zahl verfügbar.
• Eingebettete Systeme: Wenn man einen kleinen, dedizierten Prozessor für Aufgaben wie das Sammeln von Sensordaten, Kommunikation (wie UART, I2C, SPI) oder Motorsteuerung benötigt.
• Prototyping mit Software: Wenn man ein einfaches Steuerungssystem benötigt, bei dem Programmierung und Softwareflexibilität wichtiger sind als benutzerdefinierte Hardwarelogik.

Zusammenfassung:

• FPGA ist am besten geeignet, wenn man hohe Leistung, parallele Verarbeitung oder benutzerdefinierte Hardware für spezialisierte Anwendungen wie Signalverarbeitung oder Hochgeschwindigkeitskommunikation benötigt.
• MCU eignet sich am besten für kostengünstige, energieeffiziente, sequenzielle Aufgaben, bei denen man Software zur Steuerung von Peripheriegeräten, Sensoren und Aktuatoren benötigt.

Letztlich hängt die Wahl davon ab, was dein Projekt erfordert: Wenn du flexible, benutzerdefinierte Hardware mit hoher Leistung benötigst, ist ein FPGA die beste Wahl. Wenn du ein kostengünstiges, einfaches Steuerungssystem brauchst, dann ist ein MCU der richtige Weg.