FPGA(Field-Programmable Gate Array)是一種可編程邏輯器件，可以通過編程實現(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) 核是具有知識產(chǎn)權核的集成電路芯核總稱，是經(jīng)過反復驗證過的、具有特定功能的宏模塊，與芯片制造工藝無關，可以移植到不同的半導體工藝中。到了 SOC 階段，IP 核設計已成為 ASIC 電路設計公司和 FPGA 提供商的重要任務，也是其實力體現(xiàn)。對于 FPGA 開發(fā)軟件，其提供的 IP 核越豐富，用戶的設計就越方便，其市場占用率就越高。目前，IP 核已經(jīng)變成系統(tǒng)設計的基本單元，并作為獨立設計成果被交換、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核所花費的成本來講，硬核代價最大;從使用靈活性來講，軟核的可復用使用性最高。
FPGA的世界里，"核"如同心臟，驅(qū)動著數(shù)字系統(tǒng)的運作，它涵蓋了內(nèi)存調(diào)度、中斷管理等關鍵功能，由邏輯門與觸發(fā)器交織而成。IP核，即知識產(chǎn)權豐富的可重用模塊，有著三種形態(tài)：軟核、硬核與固核，各自承載著獨特的特性與應用場景。
軟核，如同靈活的建筑師，以其制程技術獨立性著稱，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計風險，它在編譯時提供了高度的客制化選項，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，軟核對特定技術的適應性可能不如硬核，優(yōu)化的彈性稍勝一籌。
硬核，如同經(jīng)過嚴格驗證的工業(yè)標準，性能和功耗表現(xiàn)卓越，但其全客制化的設計方式使它在新制程下移植困難。硬核移植過程中，需要大量的時間和成本投入，這可能導致原始制程優(yōu)化的效益流失。雖然缺乏靈活性，硬核提供了預布局網(wǎng)表，預見性更強，但對知識產(chǎn)權保護較為有利，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的設計和實現(xiàn)更加靈活，可以進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、預先實現(xiàn)的硬件模塊，但是可以通過軟件編程進行配置和控制。固核IP通常包括處理器、控制器、接口等多種功能，可以在FPGA芯片中實現(xiàn)各種不同的應用。
與軟核IP相比，固核IP具有更高的性能和可靠性，因為它是由FPGA廠商提供的、預先實現(xiàn)的硬件模塊，經(jīng)過了嚴格的測試和驗證。同時，固核IP也具有更高的靈活性和可定制性，因為可以通過軟件編程進行配置和控制。
固核的優(yōu)點主要包括：
1. 高性能：固核IP是由FPGA廠商提供的、預先實現(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現(xiàn)，因此可以非常方便地進行配置和使用。
4. 可靠性高：固核IP是由FPGA廠商提供的、預先實現(xiàn)的硬件模塊，經(jīng)過了嚴格的測試和驗證，具有非常高的可靠性。
固核的缺點主要包括：
1. 不夠靈活：固核IP雖然可以進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的設計和實現(xiàn)需要一定的工程師和資源，因此成本相對較高。
軟核(Soft Core)
軟核處理器是指在FPGA芯片內(nèi)部實現(xiàn)的可配置的處理器，通常包括CPU、DSP和各種外設接口等。軟核處理器的設計和實現(xiàn)由用戶自己完成，可以根據(jù)具體應用場景進行靈活配置和擴展。
軟核處理器具有靈活性和可定制性等優(yōu)點，可以根據(jù)具體應用場景進行靈活配置和擴展。軟核處理器的缺點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中實現(xiàn)，使用非常靈活。而且在大容量的FPGA中還可以集成多個軟核，實現(xiàn)多核并行處理。
SOPC(System on a Programmable Chip，即軟核處理器)技術是種在FPGA芯片上實現(xiàn)系統(tǒng)級設計的技術，最早是由Altera公司提出來的，它是基于FPGA的SOC片上系統(tǒng)設計技術。是使用FPGA的邏輯和資源搭建的一個軟核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CPU進行定制裁剪，增加一些專用功能，例如除法或浮點運算單元，用于提升CPU在某些專用運算方面的性能，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、外設和FPGA邏輯等集成到一個芯片上，實現(xiàn)了高度集成和靈活性。
SOPC技術通常包括以下幾個方面：
1. 處理器核：SOPC技術通常包括一個或多個處理器核，例如ARM、MIPS和Nios II等。處理器核可以實現(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. 外設接口：SOPC技術通常包括各種外設接口，例如UART、SPI、I2C和USB等。外設接口可以連接各種不同的外設設備，例如傳感器、存儲器和顯示器等。
3. FPGA邏輯：SOPC技術通常包括FPGA邏輯，可以實現(xiàn)各種不同的數(shù)字電路功能。FPGA邏輯可以根據(jù)具體應用場景進行靈活配置和擴展。
4. 總線結構：SOPC技術通常包括總線結構，用于連接處理器核、外設接口和FPGA邏輯等。總線結構可以實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸和控制。
SOPC技術的優(yōu)點是高度集成和靈活性，可以根據(jù)具體應用場景進行靈活配置和擴展。SOPC技術的缺點是設計和實現(xiàn)復雜度較高，需要專業(yè)的設計工具和技術支持。
另外也可以根據(jù)用戶的實際需求，為CPU添加各種標準或定制的外設，例如UART，SPI，IIC等標準接口外設，同時，用戶也可以自己使用FPGA的邏輯資源，編寫各種專用的外設，然后連接到CPU總線上，由CPU進行控制，以實現(xiàn)軟硬件的協(xié)同工作，在保證系統(tǒng)性能的同時，增加了系統(tǒng)的靈活性。
而且，如果單個的軟核CPU無法滿足用戶需求，可以添加多個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)部實現(xiàn)的固定功能的處理器，通常包括CPU、DSP和各種外設接口等。硬核處理器的設計和實現(xiàn)由FPGA廠商完成，用戶可以直接使用，無需自己設計和實現(xiàn)。
硬核處理器具有高性能、低功耗和可靠性等優(yōu)點，適用于需要高性能和實時性的應用場景。硬核處理器的缺點是功能固定，無法根據(jù)具體應用場景進行靈活配置和擴展。
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，其運行速度非常高，我們只要做些配置，就可以方便使用，缺點是不夠靈活。
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，軟核處理器夠運行的最高實時鐘主頻要低一些，而且也會相應的消耗較多的FPGA邏輯資源以及片上存儲器資源，因此SOPC方案僅適用于對于數(shù)處理器整體性能要求不高的應用，例如整個系統(tǒng)的初始化配置，人機交互，多個功能模塊間的協(xié)調(diào)控制等功能。
所以，各大FPGA廠家推出了SoC FPGA技術，是在芯片設計之初，就在內(nèi)部的硬件電路上添加了硬核處理器，是純硬件實現(xiàn)的，不會消耗FPGA的邏輯資源，硬核處理器和FPGA邏輯通常是相互獨立的，可以分別實現(xiàn)不同的功能。硬核處理器可以實現(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邏輯可以實現(xiàn)各種不同的數(shù)字電路功能，例如邏輯運算、時序控制和數(shù)據(jù)處理等。SoC FPGA(System on a Chip FPGA)技術是一種將FPGA芯片和處理器核集成到一個芯片上的技術，實現(xiàn)了高度集成和靈活性。
同時，基于兩者獨特的片上互聯(lián)結構，使用時可以將FPGA上的通用邏輯資源經(jīng)過配置，映射為ARM處理器的一個或多個具有特定功能的外設，通過高達128位寬的AXI高速總線進行通信，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，因此其能工作的時鐘主頻較高，因此單位時間內(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，F(xiàn)PGA對于某些高主頻的應用，似乎就無能為力了，現(xiàn)在雖然理論上FPGA可以支持的500MHz，但在實際設計中，往往200MHz以上工作頻率就很難實現(xiàn)了。同時也需要匹配上對應傳感器的頻率，即使實現(xiàn)了再高頻率也無用。
硬核處理器和軟核處理器在設計和實現(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，適用于需要高性能和實時性的應用場景;軟核處理器具有靈活性和可定制性等優(yōu)點，可以根據(jù)具體應用場景進行靈活配置和擴展。硬核處理器和軟核處理器在應用場景上有所不同，用戶可以根據(jù)具體應用場景選擇合適的處理器。
在SOPC和SoC FPGA技術中，都是由FPGA部分和處理器部分組成，硬核處理器和FPGA邏輯可以結合使用，實現(xiàn)高度集成和靈活性。例如，硬核處理器可以連接FPGA邏輯，實現(xiàn)高性能和低功耗的系統(tǒng)設計;FPGA邏輯可以連接硬核處理器的外設接口，實現(xiàn)各種不同的外設設備連接。
在SoC FPGA中，嵌入的是純硬件基礎的硬核處理器，簡稱HPS(Hardware Processor System)，而SOPC技術中，嵌入的是使用FPGA邏輯資源實現(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遠高于軟核處理器。另外，硬核處理器除了CPU部分，還集成了各種高性能外設，如MMU、DDR3控制器、Nand FLASH控制器等，可以運行成熟的Linux操作系統(tǒng)和應用程序，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的控制器以支持相應功能，但是從性能和開發(fā)難度上來說，基于SoC FPGA架構進行設計開發(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芯片中，JTAG接口、電源引腳和外設的接口引腳都是獨立的。因此，如果使用SoC FPGA芯片進行設計，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。
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、預先實現(xiàn)的硬件模塊，但是可以通過軟件編程進行配置和控制。固核通常包括處理器、控制器、接口等多種功能，可以在FPGA芯片中實現(xiàn)各種不同的應用。固核具有高性能和可靠性，同時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)處理的應用場景。
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)別主要在于設計和實現(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，需要根據(jù)具體的應用需求和成本考慮，選擇最合適的IP核形式。
而SOPC則是使用FPGA通用邏輯和存儲器資源搭建的CPU，當不使用CPU時，CPU部分占用的資源可以被釋放，重新用作通用FPGA資源。
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