FPGA硬核和软核处理器的区别
CPU;MPU;MCU三者,以及ARM,DSP,FPGA三者的区别
CPU ⇒MPU ⇒MCU1 CPU（Central Processing Unit,中央处理器） (1)1.1 CPU的组成 (1)1.2 CPU的工作原理 (1)2 MPU（Microprocessor Unit,微处理器） (3)2.1 MPU的组成 (3)2.2 MPU的分类 (3)2.3 MPU的体系结构：冯.诺伊曼结构和哈佛结构 (3)2.4 MPU的典型代表:DSP（Digital Signal Processor,数字信号处理器） (4)3 MCU（Microcontroller Unit,微控制器/单片机） (5)3.1 MCU的概念 (5)3.2 MCU的概述 (5)3.3 MCU的分类 (6)3.4 MCU的架构:CISC架构和RISC架构 (6)3.5 常见的MCU (6)3.6 MCU的典型代表:ARM (9)4 CPLD（Complex Programmable Logic Device,复杂可编程逻辑器件) (10)5 FPGA（Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列） (10)6 DSP,ARM,FPGA的区别 (10)1 CPU（Central Processing Unit,中央处理器）中央处理器（CPU）是电子计算机的主要器件之一，其功能主要是解释计算机指令及处理计算机软件中的数据。
1.1 CPU的组成CPU由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。
运算器：进行算术运算和逻辑运算(部件:算数逻辑单元、累加器、寄存器组、路径转换器、数据总线)。
控制器：控制程序的执行,包括对指令进行译码、寄存，并按指令要求完成所规定的操作，即指令控制、时序控制和操作控制。
复位、使能(部件:计数器、指令暂存器、指令解码器、状态暂存器、时序产生器、微操作信号发生器)。
寄存器：用来存放操作数、中间数据及结果数据。
1.2 CPU的工作原理CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码，将指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作，从而完成一条指令的执行。
《详解FPGA：人工智能时代的驱动引擎》札记
《详解FPGA：人工智能时代的驱动引擎》阅读随笔目录一、FPGA简介 (2)1.1 FPGA的定义与特点 (3)1.2 FPGA的发展历程 (4)1.3 FPGA的应用领域 (5)二、FPGA的工作原理 (7)2.1 FPGA的基本架构 (8)2.2 FPGA的工作模式 (10)2.3 FPGA的编程语言 (11)三、FPGA在人工智能领域的应用 (12)3.1 机器学习与深度学习 (14)3.2 自动驾驶与机器人技术 (15)3.3 无人机与智能物流 (17)3.4 医疗诊断与生物信息学 (18)3.5 其他领域的FPGA应用 (20)四、FPGA的设计与优化 (22)4.1 FPGA设计流程 (23)4.2 硬件描述语言 (25)4.3 设计优化策略 (26)4.4 性能评估与测试 (28)五、FPGA的未来发展趋势 (29)5.1 技术创新与突破 (30)5.2 行业合作与生态系统建设 (32)5.3 应对挑战与机遇 (33)六、结论 (35)6.1 FPGA在人工智能时代的重要性 (36)6.2 未来展望与期许 (37)一、FPGA简介FPGA（现场可编程门阵列）是一种集成电路芯片，它允许设计师在硬件层面上实现可编程的解决方案。
与传统的专用硬件电路相比，FPGA具有更高的灵活性和可扩展性，因此在人工智能、数据中心、通信等领域得到了广泛应用。
FPGA的核心特点是可编程性。
它可以根据需要动态地重新配置内部逻辑单元，从而实现各种功能。
这种可编程性使得FPGA在应对不断变化的应用需求时具有很高的效率。
FPGA还具备低功耗、高性能、高可靠性等优点。
FPGA的发展历程可以追溯到20世纪80年代，当时Xilinx公司推出了世界上第一款商用FPGA产品。
随着技术的不断发展，FPGA的性能不断提高，功能也越来越丰富。
FPGA已经发展到了第四代，即UltraScale系列，其最大容量可达140亿个逻辑单元，支持多种编程语言和开发工具，为人工智能时代的应用提供了强大的支持。
NOIS II嵌入式处理器
NIOS嵌入式处理器Nios嵌入式处理器于2001年首次推出，创新的Nios® 嵌入式处理器成为业界第一款专门针对FPGA的商用处理器。
自此以后，众多的FPGA用户采用了Altera 提供的Nios和Nios II处理器。
Altera建议新设计采用Nios II处理器。
在二○世纪九十年度末，可编程逻辑器件（PLD）的复杂度已经能够在单个可编程器件内实现整个系统。
完整的单芯片系统（SOC）概念是指在一个芯片中实现用户定义的系统，它通常暗指包括片内存储器和外设的微处理器。
最初宣称真正的SOC――或可编程单芯片系统（SOPC）――能够提供基于PLD的处理器。
在2000年，Altera发布了Nios处理器，这是Altera Excalibur嵌入处理器计划中第一个产品，它成为业界第一款为可编程逻辑优化的可配置处理器。
本文阐述开发Nios处理器设计环境的过程和涉及的决策，以及它如何演化为一种SOPC工具。
Altera很清楚地意识到，如果我们把可编程逻辑的固有的优势集成到嵌入处理器的开发流程中，我们就会拥有非常成功的产品。
基于PLD的处理器恰恰具有应用所需的特性。
一旦定义了处理器之后，设计者就“具备”了体系结构，可放心使用。
因为PLD和嵌入处理器随即就生效了，可以马上开始设计软件原型。
CPU周边的专用硬件逻辑可以慢慢地集成进去，在每个阶段软件都能够进行测试，解决遇到的问题。
另外，软件组可以对结构方面提出一些建议，改善代码效率和/或处理器性能，这些软件/硬件权衡可以在硬件设计过程中间完成。
Nios II系列软核处理器是Altera的第二代FPGA嵌入式处理器，其性能超过200DMIPS，在Altera FPGA中实现仅需35美分。
Altera的Stratix 、Stratix GX、 Stratix II和 Cyclone系列FPGA全面支持Nios II处理器，以后推出的FPGA器件也将支持Nios II。
IP软核及硬核的优劣势比较
IP软核及硬核的优劣势比较2007-09-12 嵌入式在线收藏| 打印引言：SoC研发业者现今在制定产品研发决策时，最重要的一项因素就是选择一套适合的硅智产（IP）核心（CPU）。
这方面的决定会影响产品效能与质量、产品上市时程、以及获利绩效。
但SoC研发业者在选择核心时会面临许多挑战，在判断何种核心最适合某种SoC 时，更须谨慎的考虑，业者须决定核心的种类（软核或硬核）、技术数据的质量、以及IP 供货商的可靠度与专业性。
本文将探讨每项领域并提供相关指南，介绍如何评估各种IP核心的特色。
芯片制造技术不断改进，为现今的设计工程师提供很多可使用的硅组件与设备。
然而，工程师在设计电路方面的能力并未跟上制程技术的发展脚步以应用这些新增的硅组件。
这种不平衡现象造就现今的IP核心产业。
IP核心让研发团队仅须整合预先制作的功能区块，不须进行任何设计或检验作业，即能迅速开发大型的系统单芯片设计。
但这种新的研发型态亦衍生许多困难的挑战。
视核心种类的不同，这些挑战的困难度可高可低。
首先，IP核心可透过软核或硬核两种型式交付到客户的手上。
不论何种型式，顾客都会收到一套功能上已检验过的设计方案。
软核亦称为可合成核心，可经由顾客合成后再建置到其SoC中。
硬核，则已预先建置并可立即投入生产。
（从技术面而言，设计方案须在投产后才算是建置完成。
但在本文中，建置代表配线及其后段工程已完成生产准备）。
SoC团队仅须将硬核视为单一整合电路嵌入至芯片中。
软核与硬核有各自不同的问题与优点，以下我们将详细介绍。
IP核心启动（jump-starts）整体SoC研发流程的一部份。
研发团队取得已预先检验的设计方案，使他们能以更少的时间、更少的工程与EDA资源下完成芯片的研发。
但是，将核心整合至芯片需要进行许多步骤，步骤的难易度视厂商提供的整体技术文件与支持而定。
本文将详细介绍让客户能轻易将核心整合至各个SoC研发阶段的技术数据与技术支持。
最后，顾客须考虑IP厂商。
ip核使用手册
IP核使用手册：从入门到精通IP核是现代数字电路设计中不可或缺的组成部分。
它们是可重复使用的模块，能够加快设计过程，提高设计的可靠性和稳定性。
本文将为您介绍IP核的基本概念、使用方法和常见问题，帮助您从入门到精通。
什么是IP核？IP核是Intellectual Property的缩写，即知识产权。
它是一种可重复使用的数字电路设计模块，类似于软件中的函数库。
IP核可分为硬核和软核两种类型。
硬核是指在FPGA芯片中实现的现成电路，如处理器、存储器、通信接口等；软核是指通过HDL语言编写的可配置电路，如FIR滤波器、FFT模块、数字信号处理器等。
IP核的优势在于它们具有高度的可重复性和可移植性。
设计人员可以使用现成的IP 核来构建复杂的数字电路，而无需从头开始设计每个模块。
IP核还能够提高设计的可靠性和稳定性，减少设计周期和成本。
如何使用IP核？使用IP核需要遵循以下步骤：1.导入IP核：在设计工具中导入所需的IP核，如Xilinx Vivado、Altera Quartus等。
2.配置IP核：根据设计需求对IP核进行配置，如修改输入输出端口、调整时钟频率等。
3.连接IP核：将IP核与其他模块连接起来，构建完整的数字电路。
4.验证IP核：对IP核进行仿真和验证，确保其符合设计要求。
5.下载IP核：将设计好的IP核下载到目标设备中，如FPGA芯片、SoC芯片等。
使用IP核需要掌握一定的硬件描述语言（HDL）知识，如Verilog、VHDL等。
还需要了解数字电路的基本原理和设计方法。
常见问题解答1.IP核是否可以自己编写？是的，设计人员可以使用HDL语言编写自己的IP核。
这种IP核称为软核。
通过编写自己的IP核，设计人员可以更好地满足特定的设计需求。
2.IP核是否具有可移植性？是的，IP核具有高度的可移植性。
设计人员可以在不同的芯片平台上使用相同的IP 核，从而提高设计的效率和可靠性。
3.IP核的性能是否受到芯片平台的限制？是的，IP核的性能受到芯片平台的限制。
FPGA、CPU、GPU、ASIC性能对比
FPGA、CPU、GPU、ASIC性能对比对比传统CPU、GPU、ASIC芯片，FPGA具有高性能、低消耗和灵活性等特点，具有广泛的应用市场。
与CPU/GPU相比，单位功耗性能和计算耗时均成量级提升，同时可实现出色的I/0集成。
1．FPGA、CPU、GUP对计算密集型和通信密集型任务耗时的比较
2．CPU、GPU、FPGA不同线程下处理速度的综合对比
与ASIC定制芯片相比，主要优势为“可重构”
•FPGA和ASIC芯片上都有大量的逻辑单元，能够实现复杂的、高吞吐量的金融模型计算。
•ASIC的逻辑功能无法做二次更改，其成本随工艺的提升指数增长。
•FPGA的逻辑块和连接可以多次编辑，完成不同的逻辑功能，灵活的实现功能扩展和升级，极大减少了开发成本。
A SIC芯片设计成本随着制程提升呈指数级上升。
fpga和cpu的关系
fpga和cpu的关系（最新版）目录1.FPGA 和 CPU 的定义与特点2.FPGA 和 CPU 的异同3.FPGA 和 CPU 的应用领域4.FPGA 和 CPU 的未来发展趋势正文FPGA（现场可编程门阵列）和 CPU（中央处理器）是两种不同类型的处理器，各自具有独特的特点和优势。
本文将从 FPGA 和 CPU 的定义与特点、异同、应用领域以及未来发展趋势等方面进行探讨。
一、FPGA 和 CPU 的定义与特点1.FPGA：FPGA 是一种集成电路，具有可编程性，用户可以根据需求实时调整硬件功能和逻辑。
FPGA 具有高速、灵活、可重配置等优点，适用于大规模并行计算和硬件加速等场景。
2.CPU：CPU 是计算机的核心部件，负责执行程序指令和控制计算机操作。
CPU 具有通用性，可以运行各种应用程序，但相对 FPGA，其计算速度和灵活性较低。
二、FPGA 和 CPU 的异同1.相同点：FPGA 和 CPU 都是处理器，都具有计算功能。
2.不同点：（1）FPGA 是硬件可编程，可以根据需求实时调整硬件功能和逻辑；CPU 是软件可编程，通过编写不同的程序实现不同的功能。
（2）FPGA 适用于大规模并行计算和硬件加速等场景，具有高速、灵活、可重配置等优点；CPU 通用性较高，可以运行各种应用程序，但计算速度和灵活性相对较低。
三、FPGA 和 CPU 的应用领域1.FPGA：FPGA 广泛应用于通信、图像处理、人工智能、航空航天等领域，例如 5G 基站信号处理、图像识别等场景。
2.CPU：CPU 应用于各种计算机系统，包括个人电脑、服务器、嵌入式系统等，涵盖办公、娱乐、科学计算等各个方面。
四、FPGA 和 CPU 的未来发展趋势1.FPGA：随着人工智能、大数据等技术的发展，对计算速度和灵活性要求越来越高，FPGA 在未来将发挥更大的作用，尤其是在硬件加速和定制计算领域。
2.CPU：随着工艺制程的不断进步，CPU 性能将继续提升，同时，CPU 与 FPGA 的融合也将成为一种趋势，以充分发挥两者的优势。
软件、硬件、固件、软核、硬核、固核
首先来谈谈软件、硬件和固件。
在很久很久以前，软件和硬件之间的分野是很明显的。
所谓软件就是指存放在存储器中01编码，通过CPU通过读取这些编码然后加以解释后完成对数据的处理。
这些01编码可以被反复改写，所以很“柔软”，于是被称为“软”件。
而硬件呢？是一种物理世界真实存在的部件，例如芯片、接插件、电子元器件，电路板。
这些东西一旦制作出来就不能被改变，因此是“硬”件。
软件是逐条执行的，所以是顺序的。
硬件是实际存在的，一上电以后所有的物理器件都在工作，所以是并行的。
但是一种东西的出现，让软硬件的界限陡然打破，这就是可编程逻辑。
说它是硬件吧，它可以被反复改写，很“软”。
说它是软件吧，它的工作模式确实按照逻辑电路的方式工作的，标准的传统硬件工作模式，只有姑且认为是变“软”了的硬件。
虽然可以被反复改写，但其工作模式是硬件的。
那么固件又是什么呢？固件就是固化在硬件中的软件，对于用户不可见的。
比如主板上的BIOS，其实是一段软件。
但是被封锁在硬件内部了，一上电以后自动的执行，看上去就好像是硬件完成的功能一样。
再来谈谈软核、硬核和固核。
首先谈谈什么叫核，核其实是IP核的简称。
所谓IP又是知识产权（Intellectual Property ）的缩写。
所谓IP核其实一种大型的集成电路单元。
最著名的IP核就是ARM，一个处理器。
IP核有三种不同的存在形式：HDL语言形式，版图形式、网表形式。
HDL语言形式是讲这种电路单元用HDL语言描述出来，由于直接是HDL代码，因此可修改性最高，甚至可以在功能上大修改，所以是“软”的。
而被做成版图的IP核基本不可修改，只能对应特定的工艺库，所以是“硬”的。
做成网表的IP从功能上来说基本不可修改，但是没有和特定的工艺库绑定，从选择工艺库的角度来说是可改的。
所以借鉴了“固件”的说法，是一种介于“软”和“硬”之间的状态。
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FPGA硬核和软核处理器的区别
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。
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开发板
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。
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。