工业FPGA与MCU之争，鹿死谁手？ - 全文

　　智能工业发展迅猛，工厂自动化、机器人技术、智能通信和工业安全等巨大商机更是铺天盖地而来。嵌入式系统作为兵家必争的滩头阵地，主控芯片商战况火热。

　　随着赛灵思、阿尔特拉、莱迪思等一众FPGA全球顶级大厂携更高集成度、灵活、延迟小、处理速度快和整体成本较低等优势的FPGA产品加速挥军挺进智能工业市场，这势必对主导工业MCU的飞思卡尔、TI、ST和微芯科技等MCU传统豪门带来冲击。进攻与防守之间的抉择，又是一次矛与盾的大战！未来智能工业主战场自然群雄割据，那么，MCU vs FPGA，究竟鹿死谁手？

　　工业 + FPGA = 强大的性能兼高度灵活性

　　在工业垂直细分领域，随着应用环境的复杂度提升，新技术的引入以及对人身安全有更高的标准，使得设备厂商对制造商在产品定制化、面市周期以及总体成本方面提出更高需求，亦为FPGA造就了机遇。

　　对于工业应用领域而言，FPGA凭借设计集成、可重新编程能力等优势，有效协助系统开发商的产品更快速地推向市场，逐渐进入传统MCU和DSP占主要份额的领域。

　　随着系统复杂度的提高，FPGA还能够集成整个芯片系统（SoC），与分立的MCU、DSP、ASSP以及ASIC解决方案相比，大幅度降低了成本。不论是用作协处理器还是SoC皆具备不可取代的独特优势。

　　初露头角的FPGA已能窥见其背后广阔的市场前景，这也吸引了众多厂商纷纷插旗布局。为深耕工业应用，巨头Altera推出了电机控制、以太网IP以及功能安全三大组合方案。

　　FPGA在交流永磁电机领域颇具优势。交流永磁电机采用三相交流，控制难度相对较大，电机控制的关键环节是电流环的控制，如果厂商在电流采集环节需要精进，传统方法已经很难办到，因此FPGA在这方面优势明显。而在直流电机市场，其控制相对简单，功耗低，传统方案已经成熟，FPGA在直流领域则不具备明显优势。

　　而面对工业以太网众多标准，Altera基于FPGA的虚拟ASSP中提供多种协议“开箱即用”解决方案，该方案在单片FPGA中集成多种工业以太网协议IP及Softing Gmbh专门针对Altera FPGA开发的软件堆栈，不需要前端许可费用和单片版税报告，同时可现场更新以支持今后的协议。

　　另一方面，标以“低成本低功耗小尺寸”的莱迪思在市场上的定位亦十分明确。莱迪思半导体通讯及工业部门高级总监Jim Tavacoli概括性表示，工业系统供应商在连接性、外形尺寸和功耗方面都面临着日益严峻的挑战，瞄准这一需求，莱迪思正积极运用其在智能手机、平板电脑和可穿戴设备领域积累的FPGA专业经验并将其应用到工业领域中。

　　底层FPGA器件的可编程特性赋予设计人员极大的灵活性，使他们能够连接所需的系统元件，以便利用最新的IP构建系统。我们提供业界功耗最低、占用空间最小的FPGA，并且具备可与ASIC、ASSP和MCU竞争的成本优势。【更多详情】

　　本文内容选自电子发烧友网6月《智能工业特刊》，更多精彩内容欢迎下载！
　　

　　工业 + MCU = 仍据主流地位，性能提升必将锦上添花

　　在机器手臂的控制中，MCU是重要的控制核心。多种控制器或处理器中以MCU的市场前景最为可期，虽然MCU的处理效能比不上微处理器（MPU）、数字信 号处理器（DSP）或是现场可编程门阵列（FPGA）等元件，不过由于目前智能工厂上的机器人多以机器手臂为主，高精度、大型且完全拟真人的机器人还不普遍，而机器手臂注重的是马达控制效能，因此已在马达控制领域占有一席之地的MCU业者将最直接受惠。且据了解，机器人的灵活度主要取决于移动关节的数目，这样的话则需要更多的马达，因此对MCU的需求将明显增加，将目光投向MCU，对于广大半导体厂商而言，是一个巨大的商机。【更多详情】

　　知名厂商飞思卡尔一直凭借种类齐全的MCU产品线不断引领着工业变革，针对不同的工业需求，如M0低功耗MCU、M4高性能MCU、5V Kinetis E器件、用于马达控制的基于M4的MCU，甚至高性能150M器件，都有合适的器件提供，能为工业客户带来更多的价值。

　　Kinetis M系列：集成高精度24位Σ-Δ转换器的单芯片SoC电表芯片，主要针对中国国家电网、海外电表市场、工业测量等市场。从这一点可以看出，飞思卡尔不只在数字技术，在模拟技术也具有很强的竞争力。

　　Kinetis E系列：对工业界，特别是ARM在工业行业的推广而言，飞思卡尔低价推出的Kinetis E 5V MCU是一个突破性的产品，它是全球第一颗5V的Cortex ARM产品，它成功地将ARM的产品引向更广泛的工业应用。该MCU具有强大的抗电磁干扰性和优越的性能，而且完全是在中国设计、测试，生产的一个全新 MCU系列。

　　由于工业上的消耗有56%是通过马达消耗的，所以飞思卡尔即将推出一款新的Kinetis MCU型号，将ARM内核引入马达控制市场以解决相关问题。【更多详情】

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　　FPGA与MCU之争，鹿死谁手？

　　就主晶片之争的问题，有专家认为，FPGA（可编程逻辑闸阵列）、DSP（数位讯号处理器）再到MCU（微控制器）这三者之间各有利基，端看市场需求。在过去MCU性能还不是如此强大的情况下，许多马达控制采用DSP架构就足以应付，但随着MCU开始加入浮点运算功能后，在性能方面已经逐渐提升又兼具控制周边的情况下，其实是可以开始取代部份DSP甚至是FPGA的应用领域，但市场上少部份特殊或是需要极高精准度的工业马达领域， 还是会需要FPGA与DSP。

　　DSP我们在此不提。先说FPGA，其最显著的优势便是灵活性，大致可概括为以下四点：1）设计集成：通过在FPGA中集成多种功能，能有效地降低系统总成本；2）可重新编程能力：在新方案中通过调整设计并重新使用原有单元，能够缩短产品的面市时间；3）简化设计方法：通过提供直观而且功能强大的设计流程，简化设计方法；4）延长产品生命周期：透过增加特性和功能，FPGA能够延长产品的生命周期。

　　除此之外，FPGA作为通信协处理器负责连接到以太网的工作，灵活的解决方案可以通过一个硬件平台支持多种协议；而用FPGA控制马达，通过它的嵌入式处理器，实时特性和数字编码器轻松实现。

　　面对FPGA的迅猛发展，新唐科技微控制器产品行销企划处处长黄日安表示，FPGA的优势是显而易见的，然而大批量生产成本过高，相较之下MCU更显实惠。

　　黄日安指出，MCU众多功能是在出厂前就设计好，使用者只需用软件把功能实现出来，不必自己去从无到有的创造一个功能出来。此外，MCU是针对产业或说系统特别开发出来最适当的产品，可以选择的产品多样多性，性价比也最高。因此不存在FPGA会影响MCU市场的因素。

　　进一步而言，FPGA的应用是要看产品的适用性来决定，而MCU则是可以通用在多种产品应用中，因此从软件与硬件的难易度来看，MCU都有其无法被取代的独特性。【更多详情】

　　FPGA+MCU？！　融合才是大势

　　事实上，工业市场是一个庞大的市场，任何一款主控芯片都无法完全将其覆盖。就工业应用领域而言，FPGA功耗大，可集成实现高性能，处理快速且没有延时，适合大平台大系统作业。相比之下专注于马达控制的MCU尽管具备功耗和成本优势但是处理速度不能够满足要求。而且现阶段，工业自动化市场领域对FPGA器件的要求越来越高，在这些应用中，新的市场环境产生了新的设计开发过程，亦增加了电子设备的复杂度，继而会导致显著增加硬件成本，延长了产品面市时间。故此，设计的灵活性、器件可靠性、低功耗和性价比成为各FPGA厂商的竞逐的焦点。

　　FPGA自从问世以来，就以强大的灵活性著称。FPGA最大的特点就是可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不变的情况下用不同硬件电路实现各异的功能，并且，随着工艺技术的进步，FPGA的功耗不断降低，速度逐渐提高，同时成本也越来越低。而FPGA与MCU 融合的平台也已经显示出种种优势以及广阔的市场前景，我们从两大巨头的产品线路图就可以看出一二，Xilinx在FPGA+DSP方面走在行业前列，而Altera 则在FPGA+MCU领域持续发力。

　　Xilinx非常著名的XtremeDSP技术就是在FPGA中引入了DSP模块。XtremeDSP技术是针对航天和军用产品、数字通信、多媒体、视频和成像行业的高性能定制 DSP 解决方案。XtremeDSP 平台产品可以满足通信、MVI（多媒体、视频和成像）和军用产品行业中各种应用的要求。 Xilinx28nm All Programmable器件所具备可靠的、高速的数据传递和实时图像处理系统的性能，FPGA和DSP处理器相结合非常适于处理高度复杂的信号处理算法。

　　而Altera 的SoC 产品则在FPGA集成了MCU，通过硬核处理器系统（HPS）至FPGA宽带互联、硬件加速以及高性能存储器来提高系统性能。并增加设计的灵活性、提升器件可靠性、降低成本、加快产品上市速度。Altera 公司亚太区产品市场经理谢晓东曾表示，今后Altera 的FPGA产品将有一半会集成MCU，这将是Altera 重点发力领域。对于FPGA而言系统架构非常重要，在FPGA架构中集成了基于ARM的硬核处理器系统（HPS），包括处理器、外设和存储器接口。它同时实现了硬核知识产权（IP）的性能和低功耗特性，以及可编程逻辑的灵活性，同时满足性能要求。

　　据我们的了解，现在的电机控制需要高性能和高效率，对控制精度和响应时间提出了更高的要求。MCU通常侧重于I/O接口的数量和可编程存储器的大小，非常适用于有大量的I/O操作的场合，所以广泛应用在低成本，低功耗和对精度要求不高的系统中。但由于本身处理能力有限，应用的场合受到了比较大的限制。对于电机控制提出的更高要求，FPGA芯片固有的可编程性和并行处理的特点十分适合于中高端的电机控制应用。由于它以纯硬件的方式进行并行处理，而且不占用CPU的资源，所以可以使系统达到很高的性能。两者的优势互补开始成为FPGA器件厂商研发的重点方向。

　　而随着可编程芯片系统SOPC（System On a Programmable Chip）的出现，相当多的FPGA里面都集成了DSP或者CPU，目前Xilinx和Altera的FPGA都可以完成这样的工作，它们不但可以集成自己的软核，而且可以集成目前流行的PowerPC、ARM等硬核。这样，FPGA就可以完全实现DSP和MCU的功能。而且FPGA在内置的嵌入式处理器中还可以添加一些自定义指令，从而可以快速完成一些特定算法，并且可以根据需要定义芯片管脚。对于应用者而言，两者的结合不单可以节省成本，而且可以简化设计流程，加快产品面世速度。

　　对于需要强大效能和控制功能的工业应用来说，FPGA+MCU集成器件是一种理想解决方案。FPGA+MCU集成器件不仅不会替制造商带来新的设计挑战，还在新设计方案上提供了更多便利。FPGA+MCU集成器件为许多既需要FPGA功能又需要MCU功能的复杂工业应用场合提供了高性能、低功耗、快速设计、低成本的解决方案。