如何區(qū)分FPGA中的軟核、硬核、固核

現(xiàn)今的FPGA設計規(guī)模越來越龐大，功能越來越復雜，因此FPGA設計的每個部分都從頭開始著手是不切實際的。

為了解決這一問題，可以采用復用現(xiàn)有通用模塊的方法，將主要的時間和資源用在設計中那些全新、獨特的部分，從而提升設計效率和減少開發(fā)成本。

這就像在軟件開發(fā)應用程序時，開發(fā)者不必編寫直接控制物理硬件的代碼，而是調(diào)用Windows提供的API來進行開發(fā)。在FPGA中這樣的通用模塊被稱作IP核(Intellectual Property Core)。

今天我們就來聊一聊FPGA中的IP，主要分為軟核、硬核、固核，那這些都是怎么區(qū)分的呢？

一、IP是什么？

IP核是具有知識產(chǎn)權(quán)的集成電路核的總稱，是經(jīng)過反復驗證、具有特定功能的電路模塊，與芯片制造工藝無關，可以在不同的半導體工藝中進行移植。

IP核在FPGA設計中扮演著至關重要的角色。它們是以前設計的成功經(jīng)驗和智慧的結(jié)晶，并且經(jīng)過測試和驗證，因此在設計中能夠?qū)崿F(xiàn)高度的可靠性和穩(wěn)定性。

使用IP核還可以極大地加速整個設計流程，提高設計的效率和質(zhì)量。

設計人員只需將自己的特定功能與通用模塊進行集成，即可快速完成設計，而無需從頭開始進行設計和實現(xiàn)。

現(xiàn)在IP 核已經(jīng)變成系統(tǒng)設計的基本單元，可以作為獨立設計的成果，用于交換、轉(zhuǎn)讓和銷售。

IP核通常分為軟核、固核和硬核這3類。成本方面，硬核代價最大；靈活性方面，軟核的可復用最高。但與軟核實現(xiàn)方式相比，硬核的功耗可以降低5~10 倍, 也可以節(jié)約將近90%的邏輯資源。

二、硬核

硬核（Hard IP Core）指已經(jīng)經(jīng)過驗證的設計版圖，在EDA設計領域中具有特殊的含義。在FPGA設計中則指的是經(jīng)過前端和后端驗證、布局和工藝固定的設計，不能被設計人員進行修改。這是由于系統(tǒng)設計對各個模塊的時序要求十分嚴格，不允許對現(xiàn)有版圖進行打亂；同時也需要保護知識產(chǎn)權(quán)，不允許設計人員對其進行任何更改。

硬核IP具有不允許修改的特點，這使得它的復用相應地比較困難，并且只能用于某些特定的應用。因此，被限定在一定程度的使用范圍內(nèi)。與軟核相比，硬核的優(yōu)勢在于其更高的性能和更嚴格的時序控制，更適用于一些對性能要求較高的場景，如通信、圖像及視覺處理等。

盡管硬核的復用受到一定的限制，但是它在芯片設計領域仍然扮演著重要的角色。硬核IP的使用可以降低設計風險和提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時也可以實現(xiàn)記錄、共享和交換等功能。在實際設計中，硬核和軟核可以組合使用，發(fā)揮各自的長處，從而實現(xiàn)更加復雜和高效的芯片設計。

三、軟核

軟核（Soft IP Core）指的是在EDA設計領域中的綜合之前的寄存器傳輸級（RTL）模型，在FPGA設計中則是對電路的硬件語言描述，包括邏輯描述、網(wǎng)表和幫助文檔等。

與硬核不同，軟核只經(jīng)過功能仿真，在使用前還需要進行綜合和布局布線等工作。軟核的優(yōu)點在于靈活性高、可移植性強，允許用戶自主配置；缺點在于對模塊的預測性較低，在后續(xù)的設計過程中會存在一定設計風險。

相比于硬核，軟核的應用范圍更廣泛。它可以在FPGA設計中使用，并且可以根據(jù)需求進行自定義配置，以實現(xiàn)特定的功能。軟核的主要優(yōu)勢在于其靈活性和可移植性，這使得它更適合于快速原型開發(fā)和測試等應用場景。同時，軟核還具有易于更新迭代等優(yōu)點，能夠快速滿足客戶的需求。

總之，軟核是IP核最廣泛應用的形式之一。雖然它存在一定的設計風險，但是其可移植性和靈活性等優(yōu)點使其深受市場歡迎。軟核和硬核可以組合使用，以利用各自的長處，實現(xiàn)更加復雜和高效的芯片設計。

四、固核

固核（Firm IP Core）指的是在EDA設計領域中帶有平面規(guī)劃信息的網(wǎng)表，在FPGA設計中可以看作是帶有布局規(guī)劃的軟核。通常以RTL代碼和對應具體工藝網(wǎng)表的混合形式提供。將RTL描述結(jié)合具體標準單元庫進行綜合優(yōu)化設計，形成門級網(wǎng)表，再通過布局布線工具即可使用。與軟核相比，固核的設計靈活性稍差，但在可靠性上有較大提高。

固核在芯片設計中也是主流形式之一。相比于軟核，固核在設計時已經(jīng)考慮了布局和規(guī)劃等因素，因此其可靠性更高。同時，固核具有與硬核相似的特點，即設計版圖不能被設計人員隨意修改，這保證了知識產(chǎn)權(quán)的保護。

盡管固核的設計靈活性相對較低，但其可靠性和穩(wěn)定性使得它被廣泛應用于各種場景，如通信、存儲、嵌入式系統(tǒng)等。通過固核的使用，設計人員可以快速實現(xiàn)復雜的功能，同時也能夠降低設計風險，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

總之，固核是IP核的主流形式之一。它具有與硬核類似的特點，保障著知識產(chǎn)權(quán)的安全。雖然相比軟核在設計靈活性上略有不足，但其可靠性和穩(wěn)定性使其得到了廣泛應用。

五、總結(jié)

固核、軟核、硬核在FPGA和芯片行業(yè)中應用非常廣泛，我們在FPGA開發(fā)過程中，經(jīng)常從IP倉庫中調(diào)用的都是軟核。

在FPGA設計過程中，這三種IP核都有各自的優(yōu)勢，可以根據(jù)實際需求進行選擇。

雖然固核和硬核在性能和可靠性方面有優(yōu)勢，但是它們的設計成本和時間成本較高。因此，許多FPGA設計人員更喜歡使用軟核。軟核具有靈活性高、可移植性強等特點，并且可以根據(jù)需求進行自定義配置，以實現(xiàn)特定的功能。同時，軟核在綜合和布局布線等方面的工作量相對較小，可以節(jié)省大量的設計時間和成本。