FPGA (Field Programmable Gate Array) to programowalne układy logiczne, które od lat zdobywają coraz większą popularność w systemach embedded. Ich wyjątkowa elastyczność, niskie opóźnienia oraz możliwość równoległego przetwarzania danych sprawiają, że stanowią idealne rozwiązanie dla aplikacji wymagających wysokiej wydajności i deterministycznego działania.
W artykule wyjaśniono, czym są układy FPGA, jakie mają zalety i w jakich zastosowaniach embedded sprawdzają się najlepiej.
Co to jest FPGA?
FPGA to rodzaj układu scalonego, który użytkownik może dowolnie konfigurować po wyprodukowaniu. W odróżnieniu od tradycyjnych procesorów (CPU) i mikrokontrolerów (MCU), FPGA wykonują wiele operacji równolegle, co znacząco zwiększa wydajność w określonych zadaniach. Ich elastyczność czyni je niezastąpionymi w systemach, które wymagają szybkiego przetwarzania danych, niskich opóźnień i możliwości rekonfiguracji.
Konfiguracja FPGA odbywa się za pomocą języków opisu sprzętu (HDL), takich jak VHDL czy Verilog. Dziś coraz częściej spotyka się także narzędzia oparte na językach wyższego poziomu (np. C, Python, OpenCL).
Zalety FPGA w systemach embedded
| Zaleta | Opis |
| Równoległość obliczeń | Wykonywanie wielu operacji jednocześnie, co daje ogromne możliwości w przetwarzaniu sygnałów, obrazów i danych. |
| Niskie opóźnienia | Idealne do systemów czasu rzeczywistego, np. w automatyce przemysłowej, robotyce, telekomunikacji czy systemach wizyjnych. |
| Rekonfigurowalność sprzętowa | Możliwość aktualizacji funkcjonalności po wdrożeniu – bez wymiany urządzenia. |
| Bezpieczeństwo | Logika może być zaprojektowana z myślą o ochronie danych i odporności na ataki sprzętowe. |
| Integracja z CPU | Możliwość współpracy z procesorami ARM (np. w układach Zynq, Versal), umożliwiająca tworzenie tzw. systemów heterogenicznych, czyli połączenie w jednym chipie rdzeni ARM i logiki FPGA. |
Przykładowe zastosowania FPGA w systemach Embedded
- Systemy brzegowe (edge AI) – akceleracja modeli ML/AI (np. YOLO, CNN)
- Przemysł lotniczy i kosmiczny – systemy kontroli lotu, przetwarzanie danych z sensorów
- Telekomunikacja – sieci 5G, przetwarzanie sygnałów, bramy V2X, SDR
- Sektor kolejowy i transport – systemy monitoringu, komunikacji i sterowania (EN 50155)
- Wizja maszynowa – kontrola jakości, rozpoznawanie obiektów, inspekcja
- Obrona i sektor militarny – integracja wielu kanałów danych, zbieranie i przesył informacji bez opóźnień (MIL-STD-810)
FPGA a gotowe moduły embedded
Rozwój projektów opartych o FPGA bywa czasochłonny, dlatego coraz więcej firm decyduje się na wykorzystanie gotowych modułów embedded, które łączą FPGA z procesorem i kompletną infrastrukturą (RAM, zasilanie, interfejsy I/O). Takie rozwiązania znacząco skracają czas wdrożenia i upraszczają integrację.
Przykładowo, dostępne są moduły bazujące na układach Zynq Ultrascale+ lub Versal, oferujące wsparcie dla akceleratorów AI, PCIe, MIPI, Ethernet i systemów operacyjnych takich jak Linux czy RTOS. Jednym z producentów oferujących tego typu platformy jest firma iWave, która dostarcza także gotowe BSP i dokumentację, przydatne na etapie projektowania i certyfikacji.
Kiedy warto rozważyć FPGA?
Rozwiązania oparte o FPGA mają sens tam, gdzie:
- Kluczowa jest niezawodność, deterministyczne zachowanie i niskie opóźnienia
- Potrzebna jest równoległość przetwarzania danych (np. z wielu sensorów)
- System wymaga aktualizacji funkcji sprzętowych w trakcie życia produktu
- Zastosowanie wymaga zaawansowanego przetwarzania na brzegu
Podsumowanie
FPGA to nie tylko układy dla inżynierów sprzętowych – to dziś realna alternatywa dla klasycznych procesorów w systemach embedded. Coraz prostsze narzędzia projektowe, rosnące wsparcie dla języków wysokiego poziomu i gotowe biblioteki czynią FPGA bardziej dostępnymi niż kiedykolwiek. Dzięki dużej elastyczności, niskim opóźnieniom i ogromnemu potencjałowi do skalowania, szczególnie w połączeniu z procesorami ARM, idealnie sprawdza się w zastosowaniach przemysłowych, militarnych, kolejowych i medycznych.
W świecie, w którym liczy się szybkość reakcji, energooszczędność i elastyczność – FPGA są jedną z najbardziej przyszłościowych technologii.
Chcesz dowiedzieć się, jak nasze rozwiązania FPGA mogą zrewolucjonizować Twój system embedded?
Skontaktuj się z nami i uzyskaj szczegółowe informacje, dopasowane do Twoich potrzeb.
Możesz napisać do nas na adres: info@me-embedded.eu
lub kliknąć przycisk „Zapytanie ofertowe” w prawym górnym rogu strony.
