盘点FPGA固核、硬核与软核的区别

FPGA(Field-Programmable Gate Array)是一种可编程逻辑器件，可以通过编程实现不同的数字电路功能。固核、软核和硬核是FPGA(Field-Programmable Gate Array)中常见的IP核形式，FPGA通常包含硬核和软核两种处理器，下面分别介绍。

IP(Intelligent Property) 核是具有知识产权核的集成电路芯核总称，是经过反复验证过的、具有特定功能的宏模块，与芯片制造工艺无关，可以移植到不同的半导体工艺中。到了 SOC 阶段，IP 核设计已成为 ASIC 电路设计公司和 FPGA 提供商的重要任务，也是其实力体现。对于 FPGA 开发软件，其提供的 IP 核越丰富，用户的设计就越方便，其市场占用率就越高。目前，IP 核已经变成系统设计的基本单元，并作为独立设计成果被交换、转让和销售。

从IP核的提供方式上，通常将其分为软核、固核和硬核这3类。从完成IP核所花费的成本来讲，硬核代价最大;从使用灵活性来讲，软核的可复用使用性最高。

FPGA的世界里，"核"如同心脏，驱动着数字系统的运作，它涵盖了内存调度、中断管理等关键功能，由逻辑门与触发器交织而成。IP核，即知识产权丰富的可重用模块，有着三种形态：软核、硬核与固核，各自承载着独特的特性与应用场景。

软核，如同灵活的建筑师，以其制程技术独立性著称，能够在不同工艺环境下无缝移植。然而，这种灵活性伴随着设计风险，它在编译时提供了高度的客制化选项，如自定义高速缓存和指令集，从而节省空间和功耗。尽管如此，软核对特定技术的适应性可能不如硬核，优化的弹性稍胜一筹。

硬核，如同经过严格验证的工业标准，性能和功耗表现卓越，但其全客制化的设计方式使它在新制程下移植困难。硬核移植过程中，需要大量的时间和成本投入，这可能导致原始制程优化的效益流失。虽然缺乏灵活性，硬核提供了预布局网表，预见性更强，但对知识产权保护较为有利，移植性较差。

固核(Firm Core)

FPGA的固核(Firm Core)是介于硬核(Hard Core)和软核(Soft Core)之间的一种IP核形式。与硬核IP相比，固核IP的设计和实现更加灵活，可以进行一定程度的修改和定制，但是又比软核IP更加稳定和可靠。

固核通常由FPGA厂商提供的、预先实现的硬件模块，但是可以通过软件编程进行配置和控制。固核IP通常包括处理器、控制器、接口等多种功能，可以在FPGA芯片中实现各种不同的应用。

与软核IP相比，固核IP具有更高的性能和可靠性，因为它是由FPGA厂商提供的、预先实现的硬件模块，经过了严格的测试和验证。同时，固核IP也具有更高的灵活性和可定制性，因为可以通过软件编程进行配置和控制。

固核的优点主要包括：

1. 高性能：固核IP是由FPGA厂商提供的、预先实现的硬件模块，因此具有非常高的性能和可靠性。

2. 灵活性高：固核IP可以进行一定程度的修改和定制，因此更加灵活。

3. 易于使用：固核IP通常由FPGA芯片中的硬件资源直接实现，因此可以非常方便地进行配置和使用。

4. 可靠性高：固核IP是由FPGA厂商提供的、预先实现的硬件模块，经过了严格的测试和验证，具有非常高的可靠性。

固核的缺点主要包括：

1. 不够灵活：固核IP虽然可以进行一定程度的修改和定制，但是仍然不如软核IP灵活。

2. 资源消耗大：固核IP通常需要占用一定的FPGA芯片资源。

3. 成本高：固核IP的设计和实现需要一定的工程师和资源，因此成本相对较高。

软核(Soft Core)

软核处理器是指在FPGA芯片内部实现的可配置的处理器，通常包括CPU、DSP和各种外设接口等。软核处理器的设计和实现由用户自己完成，可以根据具体应用场景进行灵活配置和扩展。

软核处理器具有灵活性和可定制性等优点，可以根据具体应用场景进行灵活配置和扩展。软核处理器的缺点是性能和功耗等方面可能不如硬核处理器。

软核就是用代码就能现的CPU核，这种核配置灵活，成本较低。可以在任何资源足够的FPGA中实现，使用非常灵活。而且在大容量的FPGA中还可以集成多个软核，实现多核并行处理。

SOPC(System on a Programmable Chip，即软核处理器)技术是种在FPGA芯片上实现系统级设计的技术，最早是由Altera公司提出来的，它是基于FPGA的SOC片上系统设计技术。是使用FPGA的逻辑和资源搭建的一个软核CPU系统，由于是使用FPGA的通用逻辑搭建的CPU，因此具有一定的灵活性，用户可以根据自己的需求对CPU进行定制裁剪，增加一些专用功能，例如除法或浮点运算单元，用于提升CPU在某些专用运算方面的性能，或者删除一些在系统里面使用不到的功能，以节约逻辑资源。它将处理器、外设和FPGA逻辑等集成到一个芯片上，实现了高度集成和灵活性。

SOPC技术通常包括以下几个方面：

1. 处理器核：SOPC技术通常包括一个或多个处理器核，例如ARM、MIPS和Nios II等。处理器核可以实现各种不同的处理器功能，例如控制、数据处理和通信等。

2. 外设接口：SOPC技术通常包括各种外设接口，例如UART、SPI、I2C和USB等。外设接口可以连接各种不同的外设设备，例如传感器、存储器和显示器等。

3. FPGA逻辑：SOPC技术通常包括FPGA逻辑，可以实现各种不同的数字电路功能。FPGA逻辑可以根据具体应用场景进行灵活配置和扩展。

4. 总线结构：SOPC技术通常包括总线结构，用于连接处理器核、外设接口和FPGA逻辑等。总线结构可以实现高效的数据传输和控制。

SOPC技术的优点是高度集成和灵活性，可以根据具体应用场景进行灵活配置和扩展。SOPC技术的缺点是设计和实现复杂度较高，需要专业的设计工具和技术支持。

另外也可以根据用户的实际需求，为CPU添加各种标准或定制的外设，例如UART，SPI，IIC等标准接口外设，同时，用户也可以自己使用FPGA的逻辑资源，编写各种专用的外设，然后连接到CPU总线上，由CPU进行控制，以实现软硬件的协同工作，在保证系统性能的同时，增加了系统的灵活性。

而且，如果单个的软核CPU无法满足用户需求，可以添加多个CPU软核，搭建多核系统，通过多核CPU协同工作，让系统拥有更加灵活便捷的控制能力。

硬核(Hard Core)

硬核处理器是指在FPGA芯片内部实现的固定功能的处理器，通常包括CPU、DSP和各种外设接口等。硬核处理器的设计和实现由FPGA厂商完成，用户可以直接使用，无需自己设计和实现。

硬核处理器具有高性能、低功耗和可靠性等优点，适用于需要高性能和实时性的应用场景。硬核处理器的缺点是功能固定，无法根据具体应用场景进行灵活配置和扩展。

硬核就是一块电路做到FPGA内部，方便使用，性能更高。比如 Xilinx 的 DDR内存控制器，就是一种硬核，其运行速度非常高，我们只要做些配置，就可以方便使用，缺点是不够灵活。

由于软核CPU是使用FPGA的通用逻辑资源搭建的，相较使用经过布局布线优化的硬核处理器来说，软核处理器够运行的最高实时钟主频要低一些，而且也会相应的消耗较多的FPGA逻辑资源以及片上存储器资源，因此SOPC方案仅适用于对于数处理器整体性能要求不高的应用，例如整个系统的初始化配置，人机交互，多个功能模块间的协调控制等功能。

所以，各大FPGA厂家推出了SoC FPGA技术，是在芯片设计之初，就在内部的硬件电路上添加了硬核处理器，是纯硬件实现的，不会消耗FPGA的逻辑资源，硬核处理器和FPGA逻辑通常是相互独立的，可以分别实现不同的功能。硬核处理器可以实现各种不同的处理器功能，例如控制、数据处理和通信等;FPGA逻辑可以实现各种不同的数字电路功能，例如逻辑运算、时序控制和数据处理等。SoC FPGA(System on a Chip FPGA)技术是一种将FPGA芯片和处理器核集成到一个芯片上的技术，实现了高度集成和灵活性。

同时，基于两者独特的片上互联结构，使用时可以将FPGA上的通用逻辑资源经过配置，映射为ARM处理器的一个或多个具有特定功能的外设，通过高达128位宽的AXI高速总线进行通信，完成数据和控制命令的交互。由于片上的ARM处理器是经过布局布线的硬线逻辑，因此其能工作的时钟主频较高，因此单位时间内能够执行的指令也更多。

固核、软核和硬核之间的区别和联系

软核和硬核各自有各自的优点，FPGA对于某些高主频的应用，似乎就无能为力了，现在虽然理论上FPGA可以支持的500MHz，但在实际设计中，往往200MHz以上工作频率就很难实现了。同时也需要匹配上对应传感器的频率，即使实现了再高频率也无用。

硬核处理器和软核处理器在设计和实现方式上有很大的区别，但它们都可以在FPGA芯片内部实现处理器功能。硬核处理器具有高性能、低功耗和可靠性等优点，适用于需要高性能和实时性的应用场景;软核处理器具有灵活性和可定制性等优点，可以根据具体应用场景进行灵活配置和扩展。硬核处理器和软核处理器在应用场景上有所不同，用户可以根据具体应用场景选择合适的处理器。

在SOPC和SoC FPGA技术中，都是由FPGA部分和处理器部分组成，硬核处理器和FPGA逻辑可以结合使用，实现高度集成和灵活性。例如，硬核处理器可以连接FPGA逻辑，实现高性能和低功耗的系统设计;FPGA逻辑可以连接硬核处理器的外设接口，实现各种不同的外设设备连接。

在SoC FPGA中，嵌入的是纯硬件基础的硬核处理器，简称HPS(Hardware Processor System)，而SOPC技术中，嵌入的是使用FPGA逻辑资源实现的软核处理器，两者指令集不一样，处理器性能也不一样。

一般来说，硬核处理器的性能要远远高于软核处理器。另外，硬核处理器除了CPU部分，还集成了各种高性能外设，如MMU、DDR3控制器、Nand FLASH控制器等，可以运行成熟的Linux操作系统和应用程序，提供统一的系统API，降低开发者的软件开发难度。而软核CPU虽然可以通过配置，用逻辑资源来搭建相应的控制器以支持相应功能，但是从性能和开发难度上来说，基于SoC FPGA架构进行设计开发是比较好的选择。

另外，虽然SoC FPGA芯片上既包含了有ARM，又包含了有FPGA，但是两者一定程度上是相互独立的，SoC芯片上的ARM处理器核并非是包含于FPGA逻辑单元内部的，FPGA和ARM(HPS)处理器只是封装到同一个芯片中，JTAG接口、电源引脚和外设的接口引脚都是独立的。因此，如果使用SoC FPGA芯片进行设计，即使不使用到片上的ARM处理器，ARM处理器部分占用的芯片资源也无法释放出来，不能用作通用的FPGA资源。

固核是介于硬核和软核之间的一种IP核形式，它们通常是由FPGA厂商提供的、预先实现的硬件模块，但是可以通过软件编程进行配置和控制。固核通常包括处理器、控制器、接口等多种功能，可以在FPGA芯片中实现各种不同的应用。固核具有高性能和可靠性，同时也具有一定的灵活性和可定制性，适用于需要高速处理和大规模数据处理的应用场景。

总的来说，硬核、软核和固核都是FPGA中常见的IP核形式，它们之间的区别主要在于设计和实现的方式、性能和可靠性、灵活性和可定制性等方面。在选择IP核时，需要根据具体的应用需求和成本考虑，选择最合适的IP核形式。

而SOPC则是使用FPGA通用逻辑和存储器资源搭建的CPU，当不使用CPU时，CPU部分占用的资源可以被释放，重新用作通用FPGA资源。