Razlika između CPLD/FPGA i MCU arhitekture kroz jednostavan primer

UVOD

Razlika između CPLD/FPGA čipova i mikrokontrolera (MCU) leži u brzini izvršavanja, a to ću vam objasniti na jednom veoma jednostavnom primeru.

Zamislite malog robota koji sa prednje strane šasije ima senzor za detekciju prepreka. Princip rada je sledeći: infracrveni senzor šalje podatke o prepreci ispred sebe. U zavisnosti od udaljenosti predmeta, jednobitni analogno-digitalni konvertor (odnosno običan komparator sa razdelnikom napona) šalje jedan bit podataka na prekidni ulaz ulaznog sistema koji kontroliše robota.

•  Logička nula (0) na izlazu komparatora znači da je prepreka detektovana i da vozilo mora odmah da se zaustavi.
•  Logička jedinica (1) znači da je put čist i da vozilo treba da nastavi kretanje.

Ovaj sistem možemo implementirati na dva načina: pomoću CPLD čipa ili pomoću mikrokontrolera (MCU). Razlika u radu je drastična.

Sistem implementiran pomoću CPLD čipa

VHDL je više platforma za opisivanje nego klasičan programski jezik. On se fundamentalno razlikuje od jezika kao što su zborni jezik (Assembly) ili C/C++, jer VHDL opisuje fizičku elektroniku koju gradite od digitalnih logičkih kola (I, ILI, NI, NILI itd.).

Za naš primer možemo uzeti jedno "I" (AND) logičko kolo sa dva ulaza:
1. Prvi ulaz povezujemo na izlaz našeg jednobitnog komparatora (senzora).
2. Drugi ulaz trajno povezujemo na logičku jedinicu, odnosno VCC.

Ako senzor detektuje prepreku, na njegovom izlazu se pojavljuje nula. To znači da se na ulazu našeg "I" kola pojavljuje nula, pa će i izlaz kola postati nula (jer je 1 AND 0 = 0). Ta nula se prosleđuje drajveru motora kao signal za gašenje.

Sistem koji ovde opisujemo VHDL kodom je, dakle, jedno obično logičko "I" kolo sa dva ulaza i jednim izlazom – i ništa više od toga. Ovaj uprošćeni primer služi da slikovito prikaže samu suštinu hardverskog pristupa.

VHDL Kod (robot_stop.vhd)

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

-- Definišemo ulaze i izlaze (interfejs)
entity robot_stop is
   Port ( senzor : in  STD_LOGIC;  -- Ulaz sa komparatora (0 = prepreka, 1 = slobodno)
          vcc    : in  STD_LOGIC;  -- Logička jedinica (stalno 1)
          motor  : out STD_LOGIC); -- Izlaz ka drajveru (0 = stop, 1 = kreni)
end robot_stop;

-- Definišemo kako sistem radi (logiku)
architecture Behavioral of robot_stop is
begin
    -- Najprostije logičko I (AND) kolo
    motor <= senzor and vcc;
end Behavioral;

Kako ovaj kod zapravo funkcioniše?

Nema čekanja i takta: Ovde ne postoji sat (takt) niti procesor koji liniju po liniju izvršava kod. Čim se stanje na pinu senzor promeni, izlaz motor se menja trenutno, brzinom svetlosti, kroz čist fizički prolaz signala kroz tranzistore.

Čist hardver, a ne softver: Ovaj VHDL kod se unutar CPLD čipa doslovno "preslika" u fizičke žice i jedno jedino logičko kolo unutar silicijuma.

Sistem implementiran pomoću mikrokontrolera (MCU)

Kod mikrokontrolera je princip potpuno drugačiji jer imamo softver pisan u C++ jeziku. Glavni program (rutina) se neprekidno izvršava u petlji na mikroprocesoru, a pored nje imamo i prekidne rutine.

Kada senzor detektuje prepreku, on šalje električni signal prekidnom kontroleru koji je integrisan unutar MCU-a. Taj signal privremeno zaustavlja glavni program i pokreće ISR (Interrupt Service Routine) prekidnu rutinu. Zadatak ove rutine je da softverski pošalje signal zaustavljanja drajveru DC motora.

U čemu je glavna razlika?

Razlika je ogromna. Kod CPLD primera, naš kod je opisao logičko kolo koje se fizički hardverski realizovalo unutar čipa. To je ekvivalentno tome da smo uzeli namensko integrisano kolo (poput starog logičkog čipa CD4081) i zalemili ga direktno na štampanu ploču (PCB).

Put signala kod CPLD-a je direktan:

Senzor ➡️ Logičko "I" kolo ➡️ Drajver motora ➡️ Motor

Put signala kod mikrokontrolera uključuje softversku obradu:

Senzor ➡️ MCU (Hardverski prekid ➡️ Pauziranje glavnog programa ➡️ Izvršavanje ISR koda) ➡️ Drajver motora ➡️ Motor

Zaključak: VHDL (odnosno CPLD/FPGA) je u ovakvim zadacima dramatično brži. Ovde ne koristimo procesor koji mora da troši taktove kako bi pročitao i izvršio softverske naredbe, već opisujemo namenski hardver koji se direktno preslikava u digitalnu elektroniku.

Open Source & Podela znanja

Ovaj članak, prateće slike i PDF dokumenti su licencirani pod Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licencom. Slobodno možete deliti, kopirati i prerađivati materijal u bilo koje svrhe, uključujući i komercijalne, pod uslovom da jasno navedete izvor: zilsel-invent.com.

Ukoliko je uz ovaj članak priložen izvorni kod, on je licenciran pod MIT licencom. Kompletan pregled našeg višestrukog sistema licenciranja i preuzimanje LICENSE datoteka možete pronaći na našoj stranici: zilsel-invent.com/license-new.xhtml.

Autor: Vladimir Savić / Gemini AI
Location: Belgrade, Serbia

Comments

Post a Comment

Popular posts from this blog

Fake VC830L digital multimeter

Image
This article is intended to explain some bad things about cheap digital multimeters since these devices are available in large quantities in Serbia. The key point of this article is security since cheap digital multimeters are not tested/produced according to standards. VC830L is one digital multimeter available in electronics distribution stores in Serbia, but we will avoid company names, since this article is more about “ pay attention before you buy ” cheap digital multimeter. The VC830L is about 10 euros, you cannot expect too much, but if you are not able to buy professional digital multimeter which costs over 100 euros, you will certainly buy the cheap one. Front mask: VC830L digital multimeter. The part interested for us is security so let see what we actually have regarding VC830L digital multimeter. It has three input connectors, starting from the left side: we have connector for 10 amps, common connector (COM) and the right one intended for voltage, r...
Read more

Electrolytic capacitors and design rules

Image
This article is in tended t o ex plain the bases about electrolytic capacitor , where t he y are used, basic construction, RLC circuit and much more. This is a fir st article about capacit ors and this article is based on zilsel-invent previous article about low pass filters at the following link : Low pass filter and voltage stabilization Electrolytic capacitors and design rules T he f igure #2 presents already used electrolytic capacitors. As we can see electrolytic capacitor is polarized device which means that it is important to pay attention during capacitor assembling to the PCB (printed circuit board). Depending on the capacitor manufactures, in some cases negative lead is marked with a negative sign , and in some cases positive lead (capacitor pin) is marked with a plus sign . Beside polarization mark, there are also labels about capacitance (for example 470 microfarads ) and maximum allowed voltage (for example 10V). The maximum allowed voltage is important parameter r...
Read more

How to design LM324 Astable Multivibrator

Image
This blog post is intended to describe how astable multivibrator works based on LM324 operational amplifier, RC timer and positive voltage divider circuits. This is one way to implement astable multivibrator since additional options are available like: specialized signal generators or 555 timer integrated circuit configured to work as an astable multivibrator . There are two states related to astable multivibrator based on RC timer or an analog timer (there is also a digital timer integrated into the microcontroller for example, but in general, digital timers are based on astable multivibrators implemented with quartz or resonator external oscillators, since digital timers count PWM /clock oscilations . Anyway, there are different types of astable multivibrators in order to provide clock cycles): charging and discharging. Charging   To describe charging state we will start from beginning with the completely discharged capacitor C (it has zero volts betwe...
Read more