盤點(diǎn)FPGA固核、硬核與軟核的區(qū)別

FPGA(Field-Programmable Gate Array)是一種可編程邏輯器件，可以通過編程實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)字電路功能。固核、軟核和硬核是FPGA(Field-Programmable Gate Array)中常見的IP核形式，F(xiàn)PGA通常包含硬核和軟核兩種處理器，下面分別介紹。

IP(Intelligent Property) 核是具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)核的集成電路芯核總稱，是經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證過的、具有特定功能的宏模塊，與芯片制造工藝無(wú)關(guān)，可以移植到不同的半導(dǎo)體工藝中。到了 SOC 階段，IP 核設(shè)計(jì)已成為 ASIC 電路設(shè)計(jì)公司和 FPGA 提供商的重要任務(wù)，也是其實(shí)力體現(xiàn)。對(duì)于 FPGA 開發(fā)軟件，其提供的 IP 核越豐富，用戶的設(shè)計(jì)就越方便，其市場(chǎng)占用率就越高。目前，IP 核已經(jīng)變成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本單元，并作為獨(dú)立設(shè)計(jì)成果被交換、轉(zhuǎn)讓和銷售。

從IP核的提供方式上，通常將其分為軟核、固核和硬核這3類。從完成IP核所花費(fèi)的成本來講，硬核代價(jià)最大;從使用靈活性來講，軟核的可復(fù)用使用性最高。

FPGA的世界里，"核"如同心臟，驅(qū)動(dòng)著數(shù)字系統(tǒng)的運(yùn)作，它涵蓋了內(nèi)存調(diào)度、中斷管理等關(guān)鍵功能，由邏輯門與觸發(fā)器交織而成。IP核，即知識(shí)產(chǎn)權(quán)豐富的可重用模塊，有著三種形態(tài)：軟核、硬核與固核，各自承載著獨(dú)特的特性與應(yīng)用場(chǎng)景。

軟核，如同靈活的建筑師，以其制程技術(shù)獨(dú)立性著稱，能夠在不同工藝環(huán)境下無(wú)縫移植。然而，這種靈活性伴隨著設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，它在編譯時(shí)提供了高度的客制化選項(xiàng)，如自定義高速緩存和指令集，從而節(jié)省空間和功耗。盡管如此，軟核對(duì)特定技術(shù)的適應(yīng)性可能不如硬核，優(yōu)化的彈性稍勝一籌。

硬核，如同經(jīng)過嚴(yán)格驗(yàn)證的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，性能和功耗表現(xiàn)卓越，但其全客制化的設(shè)計(jì)方式使它在新制程下移植困難。硬核移植過程中，需要大量的時(shí)間和成本投入，這可能導(dǎo)致原始制程優(yōu)化的效益流失。雖然缺乏靈活性，硬核提供了預(yù)布局網(wǎng)表，預(yù)見性更強(qiáng)，但對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)較為有利，移植性較差。

固核(Firm Core)

FPGA的固核(Firm Core)是介于硬核(Hard Core)和軟核(Soft Core)之間的一種IP核形式。與硬核IP相比，固核IP的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更加靈活，可以進(jìn)行一定程度的修改和定制，但是又比軟核IP更加穩(wěn)定和可靠。

固核通常由FPGA廠商提供的、預(yù)先實(shí)現(xiàn)的硬件模塊，但是可以通過軟件編程進(jìn)行配置和控制。固核IP通常包括處理器、控制器、接口等多種功能，可以在FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)各種不同的應(yīng)用。

與軟核IP相比，固核IP具有更高的性能和可靠性，因?yàn)樗怯蒄PGA廠商提供的、預(yù)先實(shí)現(xiàn)的硬件模塊，經(jīng)過了嚴(yán)格的測(cè)試和驗(yàn)證。同時(shí)，固核IP也具有更高的靈活性和可定制性，因?yàn)榭梢酝ㄟ^軟件編程進(jìn)行配置和控制。

固核的優(yōu)點(diǎn)主要包括：

1. 高性能：固核IP是由FPGA廠商提供的、預(yù)先實(shí)現(xiàn)的硬件模塊，因此具有非常高的性能和可靠性。

2. 靈活性高：固核IP可以進(jìn)行一定程度的修改和定制，因此更加靈活。

3. 易于使用：固核IP通常由FPGA芯片中的硬件資源直接實(shí)現(xiàn)，因此可以非常方便地進(jìn)行配置和使用。

4. 可靠性高：固核IP是由FPGA廠商提供的、預(yù)先實(shí)現(xiàn)的硬件模塊，經(jīng)過了嚴(yán)格的測(cè)試和驗(yàn)證，具有非常高的可靠性。

固核的缺點(diǎn)主要包括：

1. 不夠靈活：固核IP雖然可以進(jìn)行一定程度的修改和定制，但是仍然不如軟核IP靈活。

2. 資源消耗大：固核IP通常需要占用一定的FPGA芯片資源。

3. 成本高：固核IP的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)需要一定的工程師和資源，因此成本相對(duì)較高。

軟核(Soft Core)

軟核處理器是指在FPGA芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的可配置的處理器，通常包括CPU、DSP和各種外設(shè)接口等。軟核處理器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)由用戶自己完成，可以根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行靈活配置和擴(kuò)展。

軟核處理器具有靈活性和可定制性等優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行靈活配置和擴(kuò)展。軟核處理器的缺點(diǎn)是性能和功耗等方面可能不如硬核處理器。

軟核就是用代碼就能現(xiàn)的CPU核，這種核配置靈活，成本較低。可以在任何資源足夠的FPGA中實(shí)現(xiàn)，使用非常靈活。而且在大容量的FPGA中還可以集成多個(gè)軟核，實(shí)現(xiàn)多核并行處理。

SOPC(System on a Programmable Chip，即軟核處理器)技術(shù)是種在FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的技術(shù)，最早是由Altera公司提出來的，它是基于FPGA的SOC片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。是使用FPGA的邏輯和資源搭建的一個(gè)軟核CPU系統(tǒng)，由于是使用FPGA的通用邏輯搭建的CPU，因此具有一定的靈活性，用戶可以根據(jù)自己的需求對(duì)CPU進(jìn)行定制裁剪，增加一些專用功能，例如除法或浮點(diǎn)運(yùn)算單元，用于提升CPU在某些專用運(yùn)算方面的性能，或者刪除一些在系統(tǒng)里面使用不到的功能，以節(jié)約邏輯資源。它將處理器、外設(shè)和FPGA邏輯等集成到一個(gè)芯片上，實(shí)現(xiàn)了高度集成和靈活性。

SOPC技術(shù)通常包括以下幾個(gè)方面：

1. 處理器核：SOPC技術(shù)通常包括一個(gè)或多個(gè)處理器核，例如ARM、MIPS和Nios II等。處理器核可以實(shí)現(xiàn)各種不同的處理器功能，例如控制、數(shù)據(jù)處理和通信等。

2. 外設(shè)接口：SOPC技術(shù)通常包括各種外設(shè)接口，例如UART、SPI、I2C和USB等。外設(shè)接口可以連接各種不同的外設(shè)設(shè)備，例如傳感器、存儲(chǔ)器和顯示器等。

3. FPGA邏輯：SOPC技術(shù)通常包括FPGA邏輯，可以實(shí)現(xiàn)各種不同的數(shù)字電路功能。FPGA邏輯可以根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行靈活配置和擴(kuò)展。

4. 總線結(jié)構(gòu)：SOPC技術(shù)通常包括總線結(jié)構(gòu)，用于連接處理器核、外設(shè)接口和FPGA邏輯等?？偩€結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸和控制。

SOPC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是高度集成和靈活性，可以根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行靈活配置和擴(kuò)展。SOPC技術(shù)的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高，需要專業(yè)的設(shè)計(jì)工具和技術(shù)支持。

另外也可以根據(jù)用戶的實(shí)際需求，為CPU添加各種標(biāo)準(zhǔn)或定制的外設(shè)，例如UART，SPI，IIC等標(biāo)準(zhǔn)接口外設(shè)，同時(shí)，用戶也可以自己使用FPGA的邏輯資源，編寫各種專用的外設(shè)，然后連接到CPU總線上，由CPU進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)軟硬件的協(xié)同工作，在保證系統(tǒng)性能的同時(shí)，增加了系統(tǒng)的靈活性。

而且，如果單個(gè)的軟核CPU無(wú)法滿足用戶需求，可以添加多個(gè)CPU軟核，搭建多核系統(tǒng)，通過多核CPU協(xié)同工作，讓系統(tǒng)擁有更加靈活便捷的控制能力。

硬核(Hard Core)

硬核處理器是指在FPGA芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的固定功能的處理器，通常包括CPU、DSP和各種外設(shè)接口等。硬核處理器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)由FPGA廠商完成，用戶可以直接使用，無(wú)需自己設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

硬核處理器具有高性能、低功耗和可靠性等優(yōu)點(diǎn)，適用于需要高性能和實(shí)時(shí)性的應(yīng)用場(chǎng)景。硬核處理器的缺點(diǎn)是功能固定，無(wú)法根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行靈活配置和擴(kuò)展。

硬核就是一塊電路做到FPGA內(nèi)部，方便使用，性能更高。比如 Xilinx 的 DDR內(nèi)存控制器，就是一種硬核，其運(yùn)行速度非常高，我們只要做些配置，就可以方便使用，缺點(diǎn)是不夠靈活。

由于軟核CPU是使用FPGA的通用邏輯資源搭建的，相較使用經(jīng)過布局布線優(yōu)化的硬核處理器來說，軟核處理器夠運(yùn)行的最高實(shí)時(shí)鐘主頻要低一些，而且也會(huì)相應(yīng)的消耗較多的FPGA邏輯資源以及片上存儲(chǔ)器資源，因此SOPC方案僅適用于對(duì)于數(shù)處理器整體性能要求不高的應(yīng)用，例如整個(gè)系統(tǒng)的初始化配置，人機(jī)交互，多個(gè)功能模塊間的協(xié)調(diào)控制等功能。

所以，各大FPGA廠家推出了SoC FPGA技術(shù)，是在芯片設(shè)計(jì)之初，就在內(nèi)部的硬件電路上添加了硬核處理器，是純硬件實(shí)現(xiàn)的，不會(huì)消耗FPGA的邏輯資源，硬核處理器和FPGA邏輯通常是相互獨(dú)立的，可以分別實(shí)現(xiàn)不同的功能。硬核處理器可以實(shí)現(xiàn)各種不同的處理器功能，例如控制、數(shù)據(jù)處理和通信等;FPGA邏輯可以實(shí)現(xiàn)各種不同的數(shù)字電路功能，例如邏輯運(yùn)算、時(shí)序控制和數(shù)據(jù)處理等。SoC FPGA(System on a Chip FPGA)技術(shù)是一種將FPGA芯片和處理器核集成到一個(gè)芯片上的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高度集成和靈活性。

同時(shí)，基于兩者獨(dú)特的片上互聯(lián)結(jié)構(gòu)，使用時(shí)可以將FPGA上的通用邏輯資源經(jīng)過配置，映射為ARM處理器的一個(gè)或多個(gè)具有特定功能的外設(shè)，通過高達(dá)128位寬的AXI高速總線進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)和控制命令的交互。由于片上的ARM處理器是經(jīng)過布局布線的硬線邏輯，因此其能工作的時(shí)鐘主頻較高，因此單位時(shí)間內(nèi)能夠執(zhí)行的指令也更多。

固核、軟核和硬核之間的區(qū)別和聯(lián)系

軟核和硬核各自有各自的優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)PGA對(duì)于某些高主頻的應(yīng)用，似乎就無(wú)能為力了，現(xiàn)在雖然理論上FPGA可以支持的500MHz，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，往往200MHz以上工作頻率就很難實(shí)現(xiàn)了。同時(shí)也需要匹配上對(duì)應(yīng)傳感器的頻率，即使實(shí)現(xiàn)了再高頻率也無(wú)用。

硬核處理器和軟核處理器在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式上有很大的區(qū)別，但它們都可以在FPGA芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)處理器功能。硬核處理器具有高性能、低功耗和可靠性等優(yōu)點(diǎn)，適用于需要高性能和實(shí)時(shí)性的應(yīng)用場(chǎng)景;軟核處理器具有靈活性和可定制性等優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行靈活配置和擴(kuò)展。硬核處理器和軟核處理器在應(yīng)用場(chǎng)景上有所不同，用戶可以根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的處理器。

在SOPC和SoC FPGA技術(shù)中，都是由FPGA部分和處理器部分組成，硬核處理器和FPGA邏輯可以結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)高度集成和靈活性。例如，硬核處理器可以連接FPGA邏輯，實(shí)現(xiàn)高性能和低功耗的系統(tǒng)設(shè)計(jì);FPGA邏輯可以連接硬核處理器的外設(shè)接口，實(shí)現(xiàn)各種不同的外設(shè)設(shè)備連接。

在SoC FPGA中，嵌入的是純硬件基礎(chǔ)的硬核處理器，簡(jiǎn)稱HPS(Hardware Processor System)，而SOPC技術(shù)中，嵌入的是使用FPGA邏輯資源實(shí)現(xiàn)的軟核處理器，兩者指令集不一樣，處理器性能也不一樣。

一般來說，硬核處理器的性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于軟核處理器。另外，硬核處理器除了CPU部分，還集成了各種高性能外設(shè)，如MMU、DDR3控制器、Nand FLASH控制器等，可以運(yùn)行成熟的Linux操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，提供統(tǒng)一的系統(tǒng)API，降低開發(fā)者的軟件開發(fā)難度。而軟核CPU雖然可以通過配置，用邏輯資源來搭建相應(yīng)的控制器以支持相應(yīng)功能，但是從性能和開發(fā)難度上來說，基于SoC FPGA架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)是比較好的選擇。

另外，雖然SoC FPGA芯片上既包含了有ARM，又包含了有FPGA，但是兩者一定程度上是相互獨(dú)立的，SoC芯片上的ARM處理器核并非是包含于FPGA邏輯單元內(nèi)部的，F(xiàn)PGA和ARM(HPS)處理器只是封裝到同一個(gè)芯片中，JTAG接口、電源引腳和外設(shè)的接口引腳都是獨(dú)立的。因此，如果使用SoC FPGA芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，即使不使用到片上的ARM處理器，ARM處理器部分占用的芯片資源也無(wú)法釋放出來，不能用作通用的FPGA資源。

固核是介于硬核和軟核之間的一種IP核形式，它們通常是由FPGA廠商提供的、預(yù)先實(shí)現(xiàn)的硬件模塊，但是可以通過軟件編程進(jìn)行配置和控制。固核通常包括處理器、控制器、接口等多種功能，可以在FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)各種不同的應(yīng)用。固核具有高性能和可靠性，同時(shí)也具有一定的靈活性和可定制性，適用于需要高速處理和大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用場(chǎng)景。

總的來說，硬核、軟核和固核都是FPGA中常見的IP核形式，它們之間的區(qū)別主要在于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的方式、性能和可靠性、靈活性和可定制性等方面。在選擇IP核時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和成本考慮，選擇最合適的IP核形式。

而SOPC則是使用FPGA通用邏輯和存儲(chǔ)器資源搭建的CPU，當(dāng)不使用CPU時(shí)，CPU部分占用的資源可以被釋放，重新用作通用FPGA資源。