干貨滿滿！FPGA硬核和軟核處理器的區(qū)別

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。

而固核，介于軟核與硬核之間，是一種特殊形式的IP。它通常源于軟核，但通過加密形式保護(hù)，并針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行了預(yù)布線以滿足嚴(yán)格的時(shí)序要求。固核的固定特性對(duì)整體設(shè)計(jì)有著決定性影響，既保留了軟核的調(diào)整空間，又具備了硬核的穩(wěn)定性。

FPGA IP世界中，每種核都扮演著不可或缺的角色，開發(fā)者需根據(jù)項(xiàng)目需求，權(quán)衡靈活性、性能和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，來選擇最合適的核作為設(shè)計(jì)的核心驅(qū)動(dòng)力。軟核的可定制性和廣泛適應(yīng)性，硬核的穩(wěn)定性能，以及固核的特殊優(yōu)化，共同構(gòu)建出FPGA技術(shù)的豐富多彩。

軟核處理器

SOPC技術(shù)，即軟核處理器，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。

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。

由于是使用FPGA資源實(shí)現(xiàn)的，所以具有很大的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)多種處理器，如 8051，RISC-V，Xilinx的 MicroBlaze ，Altera的Nios-II等等。

硬核處理器

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邏輯在一定程度上是相互獨(dú)立的，簡(jiǎn)單的說，就是SoC FPGA就是把一塊ARM處理器和一塊FPGA芯片封裝成了一個(gè)芯片。

例如比較有名的Xilinx的ZYNQ/PYNQ系列集成ARM Cortex-A9處理器，同時(shí)具有 ARM軟件的可編程性和 FPGA 的硬件可編程性，不僅可實(shí)現(xiàn)重要分析與硬件加速，同時(shí)還在單個(gè)器件上高度集成 CPU、DSP、ASSP 以及混合信號(hào)功能。

ZYNQ開發(fā)板

ZYNQ開發(fā)板

Intel的Cyclone V系列，集成雙核Cortex-A9，于2013年發(fā)布，在單一芯片上集成了雙核的ARM Cortex-A9處理器和FPGA邏輯資源的新型SoC芯片，相較于傳統(tǒng)的單一ARM處理器或FPGA芯片，它既擁有了ARM處理器靈活高效的數(shù)據(jù)運(yùn)算和事務(wù)處理能力，同時(shí)又集成了FPGA的高速并行處理優(yōu)勢(shì)，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。

區(qū)別和聯(lián)系

從架構(gòu)的角度來說，SOPC和SoC FPGA是統(tǒng)一的，都是由FPGA部分和處理器部分組成。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。

ZYNQ內(nèi)部框圖

ZYNQ框圖

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法釋放出來，不能用作通用的FPGA資源。

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。