基于FPGA的SOC設(shè)計(jì)技術(shù)的硬核與軟核處理器的區(qū)別和聯(lián)系

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，而且也會相應(yīng)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(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 以及混合信號功能。

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，又集成了FPGA的高速并行處理優(yōu)勢。

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)別與聯(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

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。

審核編輯：郭婷