FPGA之道（14）IP核介绍

前言

IP核是FPGA开发者的老朋友了，可以这么说，只要是做FPGA开发的，都会利用FPGA的IP核进行开发设计，这不像IC设计，什么都要自己设计，使用IP可以加快产生开发进程。
下面摘自《FPGA之道》对IP核的描述，来理解IP核相关的简单内容。

IP核概述

随着FPGA的集成度越来越高，规模越来越大，设计越来越复杂，IC行业的竞争也越来越激烈，产品的交付周期越来越短，这与人类有限的设计能力形成了巨大矛盾。如果FPGA设计还是全部由设计者从最底层的代码写起，那么必然不能在越来越苛刻的开发周期内完成相关项目。而IP核的出现，解决了这个问题。IP核是一段具有特定电路功能的硬件描述语言程序，该程序通常与集成电路工艺无关，可以移植到不同的半导体工艺中去生产集成电路芯片。由于IP核将一些在数字电路中常用，但比较复杂的功能块设计成可修改参数的模块，因此FPGA的设计人员可以通过调用相关IP核来完成所需逻辑功能，从而节省了大量的开发时间。调用IP核能避免重复劳动，大大减轻设计人员的负担，因此使用IP核必然成为将来FPGA设计的一个发展趋势。
IP代表知识产权，从它的名字我们就能猜到IP核应该不是可以随便使用的。事实上，大部分IP核都是需要付费的，例如RS编码器、FIR滤波器、SDRAM控制器、PCI接口等。不过仍有很多免费的IP核资源，这其中最主要的就是每个FPGA厂商都会为自己的软件集成开发环境提供一些比较基本的免费的IP核来增加自家产品的行业竞争力。例如最最常用的FIFO模块、PLL模块等等。对于我们平常的设计来说，利用好这些免费的IP核就能达到事半功倍的效果。
按IP核的硬件描述级实现程度，可将它分为三类：即软核、硬核、固核。

IP软核一般指的是用硬件描述语言描述的功能块，它并不涉及用什么具体电路元件实现这些功能，软核的代码直接参与设计的编译流程，就像我们自己编写的HDL代码一样，虽然一般会对软核的RTL代码进行加密，但是其保密性还是比较差。
IP硬核是以经过完全的布局布线的网表形式提供，由于不再参与设计的编译流程，因此它的性能具有很强的可预见性，并且保密性好，不过移植性差。
IP固核是软核与硬核的一个折中，它只对描述功能中一些比较关键的路径进行预先的布局布线，而其他部分仍然可以任由编译器进行相关优化处理。例如，当你使用IP核生成一个8x8的乘法器时，如果选择使用逻辑资源块来实现的话，那么此时的乘法器IP核就相当于一个软核；如果你选择使用DSP资源来实现的话，那么此时的乘法器IP核就相当于一个硬核；如果你要用DSP资源生成一个36x36的乘法器时，那么FPGA恐怕需要若干DSP资源来实现，这时候，每个DSP核的布局布线是固定的，但是到底选择那几个DSP资源来实现是可以由编译器来决定的，因此此时的乘法器IP核就相当于一个固核。

嵌入式微处理器概述

嵌入式微处理器是一类比较特殊的IP核，通过在FPGA中实现微处理器的逻辑功能，就可以为嵌入式软件设计者提供在FPGA上大展拳脚的平台。这类IP核的引入，极大的变革和拓宽了FPGA的开发方法，它通过调用FPGA内部的资源实现一个行为和相应微处理芯片类似的功能模块，从而可以像开发单片机、ARM、DSP等芯片上的程序一样，让FPGA具有执行相应汇编或嵌入式C语言指令的功能。这样可以让FPGA集串行复杂处理能力与并行简单处理能力于一体，从而使单片FPGA可以实现SOPC的架构。
目前来说，Altera公司花了很大精力致力于开发专门针对其FPGA芯片产品的嵌入式微处理器IP核，从2000年初的NIOS，到现在的NIOS II，都是十分经典的版本。Xilinx主要致力于将Power PC转换为IP核移植到自己的FPGA产品中。而Atmel由于具有很强的微处理器开发能力，则直接在自己的FPGA产品中嵌入一个AVR单片机，这就是一个彻头彻尾的IP硬核。除此以外，只要经过适当的修改，我们几乎可以将任何微处理器搬入到FPGA的芯片中，甚至我们还可以在FPGA中创造出目前世界上没有的虚拟微处理器。总之，这就是FPGA变化无穷的魅力所在。