Vergleich von ARM und FPGA: Hauptunterschiede zwischen ihnen

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Was ist ARM?

Advanced RISC Machine (ARM) ist eine Prozessorarchitektur, die auf einem 32-Bit-Reduced Instruction Set (RISC)-Computer basiert. Die am weitesten verbreitete 32-Bit-Befehlssatzarchitektur ist ARM, die über eine globale Lizenz verfügt. Windows, Unix und Unix-ähnliche Betriebssysteme wie Apple iOS, Android, BSD, Inferno, Solaris, WebOS, Plan 9 und GNU/Linux verwenden alle die ARM-Architektur.

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ARM-Funktionen

Architektur basierend auf Laden und Speichern
Ausführung von Einzelzyklusanweisungen
Zuverlässige 16-Bit-, 32-Bit-Registerdatei
Linkregister
Einfaches Pipelining und Dekodieren
Adressierungsmodi mit Leistungsindizes
32-Bit fester Befehlssatz

Was ist ein FPGA-Chip?

Ein Field Programmable Gate Array oder FPGA ist eine Art integrierter Schaltkreis (IC), der die Erstellung einer einzigartigen Logik für einen schnellen Systemprototyp und das endgültige Systemdesign ermöglicht. Aufgrund ihrer inhärenten Flexibilität können FPGAs per Software-Download programmiert und neu programmiert werden, um sich an die sich ändernden Anforderungen des größeren Systems anzupassen, in das sie integriert sind, was sie von anderen benutzerdefinierten oder halbbenutzerdefinierten ICs unterscheidet. Für die am schnellsten wachsenden Anwendungen von heute wie Edge Computing, künstliche Intelligenz (KI), Systemsicherheit, 5G, Fabrikautomatisierung und Robotik sind FPGAs die perfekte Wahl.

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FPGA-Funktionen

Hohe Integration
Funktionsgenerator mit Flexibilität
Vermeidung des ASIC-Problems
Physisch klein
Das PLD ist mit FPGA kompatibel.
Geringer Stromverbrauch
Zuverlässigkeit und hohe Dichte
Darüber hinaus ist die Programmierung unglaublich anpassungsfähig
Online-Test in Echtzeit

ARM VS FPGA: Wie funktionieren sie?

Wie funktioniert ein ARM?

Die Funktionsweise eines ARM-Prozessors besteht darin, Anweisungen aus dem Speicher zu lesen, sie zu dekodieren und dann auszuführen. Die Anweisungen werden nacheinander aus dem Speicher gelesen und dann in die Schritte dekodiert, die der Prozessor ausführen muss, um sie auszuführen. Je nach Anweisung sind unterschiedliche Schritte erforderlich, um sie auszuführen. Einige typische Aktionen sind jedoch die folgenden:

Registerzugriff: Der Prozessor benötigt Registerzugriff, um Daten zu lesen oder zu schreiben.
Arithmetische Operationen: Der Prozessor muss Berechnungen auf den Daten ausführen.
Logische Operationen: Der Prozessor muss Logik auf die Daten anwenden.
Kontrollfluss: Der Prozessor muss entscheiden, welche Anweisung als nächstes im Kontrollfluss ausgeführt werden soll.

Wie funktioniert ein FPGA?

Jeder Logikblock im Raster, aus dem ein FPGA besteht, kann so eingerichtet werden, dass er eine andere logische Operation ausführt. Der Benutzer kann einzigartige Logikschaltungen entwerfen, da die Logikblöcke über eine programmierbare Verbindung miteinander verbunden sind. Die grundlegende Funktionsweise eines FPGA ist wie folgt:

Mithilfe einer Hardwarebeschreibungssprache (HDL) erstellt der Benutzer eine digitale Schaltung.
Danach wird der HDL-Code in eine Konfigurationsdatei umgewandelt und in das FPGA eingefügt.
Um das Design in der Konfigurationsdatei umzusetzen, konfiguriert das FPGA anschließend seine Logikblöcke und Verbindungen.
Nun ist die digitale Schaltung fertig und kann vom FPGA ausgeführt werden.

Video zu ARM VS FPGA

ARM VS FPGA: Was sind die Hauptunterschiede zwischen ihnen?

Hier ist eine Tabelle, die die wichtigsten Unterschiede zwischen ARM und FPGA zusammenfasst:

Funktion	ARM	FPGA
Typ	Mikrocontroller	Field-programmable Gate Array
Funktion	Festfunktion	Rekonfigurierbar
Leistung	Schneller für allgemeine Computeraufgaben	Schneller für spezielle Aufgaben, die viel parallele Verarbeitung erfordern
Energieeffizienz	Energieeffizienter	Weniger energieeffizient

Vorteile und Nachteile von ARM und FPGA

Vorteile von ARM

Schnelleres Arbeiten: ARM führt nur eine Operation auf einmal aus. Dies beschleunigt den Betrieb. Es zeichnet sich durch eine schnellere Reaktionszeit und geringere Latenz aus.
Einfache Schaltkreise: ARM-Prozessoren enthalten einfache Schaltkreise, wodurch sie sehr klein und für den Einsatz in kleineren Geräten geeignet sind (viele Produkte werden aufgrund der Verbraucheranforderungen kleiner und kompakter).
Kostengünstig: Da ARM-Prozessoren häufig weniger teuer als andere Prozessortypen sind, können sie für Hersteller eine kostengünstige Option darstellen.
Kleine Größe: ARM-Prozessoren sind kompakter als andere CPU-Typen und daher ideal für den Einsatz in tragbaren elektronischen Geräten geeignet.
Multiprocessing-Funktion: ARM-Prozessoren sind mit einer Multiprocessing-Funktion ausgestattet, die ihren Einsatz in Systemen ermöglicht, die viele Prozessoren zur Datenverarbeitung einsetzen. Der erste AMP-Prozessor, bekannt als ARMv6K, hatte die Hardwarefähigkeit, 4 CPUs zu unterstützen.
Bessere Akkulaufzeit: Die Akkulaufzeit von ARM-Prozessoren ist besser. Dies zeigt sich beim Verwalten von sowohl ARM-basierten als auch nicht-ARM-basierten Geräten. Diejenigen, die an ARM-Prozessoren arbeiteten, investierten mehr Stunden und wurden später entlassen als diejenigen, die dies nicht taten.
Load-Store-Architektur: Um Speicherinteraktionen zu minimieren, verwendet der Prozessor eine Load-Store-Architektur, die Daten in einer Vielzahl von Registern speichert. Um Daten vom externen Speicher in die Registerbank zu verschieben, verfügt er über unterschiedliche Lade- und Speicheranweisungen.
Geringer Stromverbrauch: Der Stromverbrauch von AMP-Prozessoren ist geringer. Ursprünglich waren sie für einen geringeren Stromverbrauch gedacht. Trotzdem verwendet ihre Architektur weniger Transistoren. Sie haben auch zusätzliche Eigenschaften, die dies ermöglichen.

Nachteile von ARM

Einige Prozessoren haben Geschwindigkeitsbeschränkungen, die problematisch sein können.
Bei Verwendung von ARM-Prozessoren kann die Planung von Anweisungen eine Herausforderung darstellen.
Der Programmierer muss Anweisungen korrekt ausführen. Denn ihre Ausführung bestimmt die Gesamtleistung von ARM-Prozessoren.
Für ARM-Prozessoren werden Programmierer mit extremen Fähigkeiten benötigt. Dies liegt an der Bedeutung und Komplexität der Ausführung (ein Prozessor arbeitet schlechter, wenn sie nicht richtig ausgeführt wird).
Begrenzte Leistung: ARM-Prozessoren haben möglicherweise nicht die gleiche Verarbeitungskapazität wie andere Prozessortypen, was ihre Fähigkeit zur Ausführung anspruchsvollerer Programme beeinträchtigen kann.
Kompatibilität: Die Palette der Programme, die auf ARM-basierten Geräten ausgeführt werden können, kann durch die Inkompatibilität mancher Software mit ARM-Prozessoren eingeschränkt sein.
Eingeschränktes Multitasking: ARM-Prozessoren können Multitasking möglicherweise nicht so effektiv durchführen wie andere Prozessortypen, was ihre Fähigkeit, mehrere Anwendungen gleichzeitig auszuführen, einschränken kann.

Vorteile von FPGA

FPGAs können auf Logikebene programmiert werden. Dadurch kann eine schnellere und parallele Signalverarbeitung implementiert werden. Dies ist für den Prozessor eine Herausforderung.
FPGAs sind im Gegensatz zu ASICs, die nach der Programmierung festgelegt sind, jederzeit auf Softwareebene modifizierbar. Daher kann der FPGA-IC endlos neu programmiert oder wiederverwendet werden. Darüber hinaus kann FPGA aus der Ferne programmiert werden.
FPGA-ICs sind leicht zugänglich und lassen sich mithilfe von HDL-Code schnell programmieren. Daher kann der Markt schneller auf die Lösung zugreifen.
Im Gegensatz zu ASIC, das hohe NRE (Non Recurring Expenses, einmalige Ausgaben) und teure Tools hat, ist die FPGA-Entwicklung weniger teuer, da billigere Tools verwendet werden und keine NRE vorhanden sind.
Software übernimmt Routing, Platzierung und Timing im FPGA-Design. Dadurch sind weniger manuelle Eingriffe erforderlich. Der Design-Flow macht schwierige und zeitaufwändige Grundrissplanung, Timing-Analyse sowie Place-and-Router überflüssig.

Nachteile von FPGA

Für die FPGA-Entwicklung werden digitale Systemprinzipien und die Programmiersprachen VHDL/Verilog benötigt. Die Programmierung ist komplexer als die C-Programmierung, die bei Hardware mit Prozessoren verwendet wird. Darüber hinaus müssen Ingenieure wissen, wie man Simulationstools verwendet.
Es wird mehr Strom verbraucht und FPGA-Programmierer haben keine Kontrolle über die Stromoptimierung. ASIC hat solche Schwierigkeiten nicht.
Programmierer müssen die Ressourcen des FPGA-ICs nutzen, sobald ein bestimmtes FPGA ausgewählt und im Design verwendet wurde. Dadurch werden die Größe und die Eigenschaften des Designs eingeschränkt. Um dieses Problem zu vermeiden, muss sofort ein geeignetes FPGA ausgewählt werden.
Für die Produktion kleiner Stückzahlen und Prototypen sind FPGAs vorzuziehen. Die Kosten pro Einheit steigen ebenso wie die Anzahl der zu erstellenden FPGAs. Bei der Implementierung von ASIC ist dies nicht der Fall.

ARM- und FPGA-Anwendungen

ARM-Anwendungen

Mobilgeräte: Der am häufigsten in Smartphones und Tablets verwendete Prozessortyp ist die ARM-Architektur. Sie werden aufgrund ihrer geringen Größe, ihres geringen Stromverbrauchs und ihrer guten Leistung verwendet.
Eingebettete Systeme: Eine Vielzahl eingebetteter Systeme, darunter Netzwerkhardware, medizinische Geräte und Industriesteuerungen, verwenden ARM-CPUs. Sie werden eingesetzt, weil sie anpassungsfähig sind und an die besonderen Anforderungen einer Anwendung angepasst werden können.
Server: Da ARM-Prozessoren eine hervorragende Mischung aus Leistung und Energieeffizienz bieten, werden sie schnell in Servern eingesetzt.
Tragbare Geräte: ARM-Prozessoren werden in Geräten wie Fitness-Trackern und Smartwatches verwendet. Sie werden aufgrund ihrer kompakten Größe und ihres geringen Stromverbrauchs verwendet.
IoT-Geräte: Sensoren und Aktoren, die Teil des IoT sind, verwenden ARM-Prozessoren. Sie werden verwendet, weil sie wenig Strom benötigen und einfach an verschiedene Geräte angeschlossen werden können.
Auto: ARM-Prozessoren werden unter anderem in Unterhaltungssystemen und Fahrassistenzsystemen eingesetzt. Sie werden aufgrund ihrer geringen Größe, des geringen Stromverbrauchs und der einfachen Integration in andere Automobilsysteme verwendet.
5G: Da ARM-Prozessoren die hohen Datenraten und geringen Latenzanforderungen von 5G bewältigen können, werden sie in 5G-Netzwerken eingesetzt.

FPGA-Anwendungen

Telekommunikation: FPGAs übernehmen in Telekommunikationsgeräten Schalt-, Routing- und Signalverarbeitungsaufgaben. So werden FPGAs beispielsweise in Modems eingesetzt, um digitale Impulse in analoge Signale und umgekehrt umzuwandeln, sowie in Routern und Switches, um Daten zwischen verschiedenen Netzwerken zu routen.
Netzwerktechnik: FPGAs werden in Netzwerkhardware eingesetzt, um Router, Switches und Firewalls zu implementieren. So werden FPGAs beispielsweise in Firewalls eingesetzt, um Datenverkehr zu filtern und unerwünschten Zugriff zu verhindern, sowie in Routern, um Datenverkehr zwischen verschiedenen Netzwerken zu routen.
Industriesteuerungen: Zur Implementierung von Sicherheitssystemen, Bewegungssteuerung und Datenerfassung werden FPGAs in Industriesteuerungen eingesetzt. FPGAs werden beispielsweise in medizinischen Geräten zur Überwachung der Vitalfunktionen von Patienten und in Industrierobotern zur Steuerung der Roboterbewegung eingesetzt.
Unterhaltungselektronik: FPGAs sind ein gängiger Bestandteil von Unterhaltungselektronikprodukten wie Fernsehern, Tablets und Smartphones. Beispielsweise werden die Bildverarbeitungseinheit (IPU) und die Grafikverarbeitungseinheit (GPU) von Fernsehern bzw. Smartphones mithilfe von FPGAs implementiert.
Medizinische Geräte: FPGAs werden in medizinischen Geräten eingesetzt, um Diagnose-, Bildgebungs- und Medikamentenverabreichungssysteme zu implementieren. FPGAs werden beispielsweise in Herzschrittmachern zur Regulierung des Herzrhythmus und in MRT-Geräten zur Aufnahme und Analyse von Bildern eingesetzt.
Verteidigung und Luft- und Raumfahrt: FPGAs werden in Systemen wie Radaren, Raketenleitsystemen und Satellitenkommunikationssystemen in der Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsindustrie eingesetzt. FPGAs werden beispielsweise in Raketenleitsystemen und Radarsystemen eingesetzt, um Objekte zu erkennen bzw. zu verfolgen.
Forschung und Entwicklung: FPGAs werden in der Forschung und Entwicklung verwendet, um neuartige Konzepte zu testen und Prototypen für neue Designs zu erstellen. Beispielsweise werden FPGAs verwendet, um Prototypen für neuartige Algorithmen für maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz zu erstellen.

Fazit

ARM und FPGA sind zwei verschiedene Arten digitaler ICs, die in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden. ARM ist ein Gerät mit fester Funktion, das für allgemeine Computeraufgaben normalerweise schneller ist. FPGA ist ein rekonfigurierbares Gerät, das für die Ausführung verschiedener Aufgaben konfiguriert werden kann. Die beste Wahl zwischen ARM und FPGA hängt von den spezifischen Anforderungen ab.