FPGA硬核和软核处理器的区别

从架构的角度来说,SOPC和SoC FPGA是统一的,都是由FPGA部分和处理器部分组成。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。

软核处理器

SOPC技术,即软核处理器,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。

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。

由于是使用FPGA资源实现的,所以具有很大的灵活性,可以实现根据需要实现多种处理器,如8051,RISC-V,Xilinx的 MicroBlaze ,Altera的Nios-II等等。

硬核处理器

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逻辑在一定程度上是相互独立的,简单的说,就是SoC FPGA就是把一块ARM处理器和一块FPGA芯片封装成了一个芯片。

例如比较有名的Xilinx的ZYNQ/PYNQ系列集成ARM Cortex-A9处理器,同时具有ARM软件的可编程性和FPGA 的硬件可编程性,不仅可实现重要分析与硬件加速,同时还在单个器件上高度集成 CPU、DSP、ASSP 以及混合信号功能。

ZYNQ开发板

ZYNQ

Intel的Cyclone V系列,集成双核Cortex-A9,于2013年发布,在单一芯片上集成了双核的ARM Cortex-A9处理器和FPGA逻辑资源的新型SoC芯片,相较于传统的单一ARM处理器或FPGA芯片,它既拥有了ARM处理器灵活高效的数据运算和事务处理能力,同时又集成了FPGA的高速并行处理优势,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。

区别和联系

从架构的角度来说,SOPC和SoC FPGA是统一的,都是由FPGA部分和处理器部分组成。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。

ZYNQ内部框图

ZYNQ内部框图

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。

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。