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综述：面向SoC-FPGA的开源处理器
资料介绍
近年来,随着各种IP核的广泛应用,So C-FPGA的应用领域也随之日益扩展.处理器作为So C-FPGA的核心IP,其对系统性能的影响至关重要.使用开源处理器IP能大幅度提高So C-FPGA系统级设计的效率,已成为现在项目开发中常用的手段.本文研究了现有的绝大多数开源处理器的关键技术指标,从可用性和稳定性上提出了一种选择开源处理器的方法.根据该方法,选择出一些具有高可用性和稳定性的开源处理器.最后,利用不同厂商提供的FPGA EDA工具将所述的开源处理器进行了综合与实现,并与现有FPGA厂商提供的商用软核Nios II和Microblaze进行了比较和讨论.
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Vol． 46 No． 4
Apr． 2018
第
期
电
子
学
报
2018
4
ACTA ELECTRONICA SINICA
年
月
:
综述 面向
SoC- FPGA
的开源处理器
1
2
1
1
1
2
， ， ， ， ，
余 乐 李任伟 王 瑶 李洋洋 吴 超 贾 瑞
( 1．
北京工商大学计算机与信息工程学院食品安全大数据技术北京市重点实
，
验室 北京
100048; 2． ， 100190)
中国科学院自动化研究所 北京
:
， IP
近年来 随着各种 核的广泛应用
，SoC-FPGA
． SoC-FPGA
的应用领域也随之日益扩展 处理器作为 的
摘
要
IP， ． IP
其对系统性能的影响至关重要 使用开源处理器 能大幅度提高
SoC-FPGA
，
系统级设计的效率 已成为现在
核心
． ，
项目开发中常用的手段 本文研究了现有的绝大多数开源处理器的关键技术指标 从可用性和稳定性上提出了一种选
．
，
．
，
FP-
择开源处理器的方法 根据该方法 选择出一些具有高可用性和稳定性的开源处理器 最后 利用不同厂商提供的
GA EDA FPGA Nios II Microblaze
进行
，
工具将所述的开源处理器进行了综合与实现 并与现有
厂商提供的商用软核
和
．
了比较和讨论
:
; FPGA; SoC-FPGA; ; ; ;
开源 应用 综述 概述
关键词
中图分类号
URL: http: / /www． ejournal． org． cn
处理器
:
TP393
:
A
: 0372-2112 ( 2018) 04-0992-13
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2018． 04． 030
文献标识码
文章编号
电子学报
Open Source Processors for SoC-FPGA: A Survey
1
2
1
1
1
2
YU Le ，LI Ren-wei ，WANG Yao ，LI Yang-yang ，WU Chao ，JIA Rui
( 1． Beijing Key Laboratory of Big Data Technology for Food Safety，School of Computer and Information Engineering，Beijing Technology
and Business University，Beijing 100048，China; 2． Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)
Abstract: With the increasing deployments in IP Cores in FPGA applications，SoC-FPGA systems have been gaining
wide popularity in recent years． Processor is no doubt the heart of a SoC-FPGA system，and has a critical impact on overall
system performance． The utilization of open source processor IPs can greatly improve working efficiency and reduce the de-
velopment cycle of SoC-FPGA systems，and it has been gaining favor as a commonly adopted design methodology． This pa-
per investigates the key technical indicators of existing open-core projects，and provides an overview of open source proces-
sors． The major features of open source processors are summarized in terms of usability and stability，and the authors propose
a methodology to choose appropriate processors for specific applications． Following these guidelines，some open source pro-
cessors are selected and implemented on Stratix V and Virtex-7 FPGA platforms using corresponding EDA tools． The imple-
mentation results are compared and discussed．
Key words: processors; FPGA; SoC-FPGA; open source; applications; survey; overview
［21 ～ 23］
［24，25］
，
． ，
相应地 基于
云计算
移动市场和数据中心
系统的设计与实现方法也变得越来越重要
SoC-FPGA
1
引言
SoC-FPGA
．
FPGA
， 、
具有许多的设计优点 如降低设计成本 复
最吸引人的
设计方法是选择可复用器件和
SOC-FPGA
中最重要
［1］
［26 ～ 28］
．
杂度等 相比于
ASIC ，FPGA
． FPGA
上市时间更短 传
IP
．
来整合系统
处理器作为
［2］
［3 ～ 6］
［7，8］
，
，
通 信
，
医
统的 应 用 领 域
包 括 工 业 控 制
， 、 、
的组成部分 若能通过复用方法进行设计 验证 测试及
［9 ～ 12］
［13，14］
［15 ～ 18］
［29］
，
以及
FPGA
疗
和图像处理
加速器件
的
，
共享 将显著增加
SOC-FPGA
．
的设计生产率
． ［15 ～ 18］ ，
开发 文献 中提到 虽然由
FPGA
综合出的处
IP
，
设计模式 正在
开源硬件作为一种新型的共享
［30］
，
理器在技术上和商业上都取得了一定的成功 但是近
．
成为提高设计生产率 的一种有效的方法 可用的开
［31］
，
年来 包含愈来愈多
IP， SoC-FPGA
正逐步演变成 系
．
源硬件是一类可用的资源
开放公开可用的源代码
［19，20］
．
在未来重要的发展趋势 基于
FPGA
SoC
的 快速
统
．
非常利于学习和创新 如果处理器以一个开放源的形
FPGA
，
的应用领域扩展到一些新的领域 比如
发展也使
， 、 ，
式共享 它可以被不同的设计小组获取 优化 进而设计
: 2016-10-09;
: 2017-06-13; :
责任编辑 孙瑶
收稿日期
修回日期
:
基金项目 北京市自然科学基金
( No． 4174086)
993
4
: : SoC-FPGA
乐 综述 面向 的开源处理器
第
期
余
． ，
出不同的嵌入式处理器 更重要的是 如果我们从中挑
， IP
的可重用性和易用性就成了最关键的问题 而开源 核
， ． ，
出设计出色的处理器 可以大大加快开发过程 显然 这
． ，
无疑在这方面具有先天优势 因此 很多商业公司也逐渐
［45］
SoC-FPGA
，
加入了开源硬件的行列 例如
，SUN
IBM
公司
．
对于基于嵌入式处理器的整个
和可靠性的保证起到了非常重要的作用
HDL
系统的性能
和
．
2． 2
开源处理器的发展
开源处理器中知名的项目
［46，47］
软核处理器的架构可以通过
进行行为级抽
FPGA SoC
对于设计人员来说 在基于 的
: ( 1) F-CPU，
是第
有
［32］
．
，
象
系统上
; ( 2) OpenRISC，Open-
一个在互连网上设计的处理器
Cores ，
中的项目 试图开发一个完全免费的
．
实现软核处理器是非常方便的 使用软核有以下优点
:
RISC
构架的
( ESA)
，
首先 能够通过使用单一的
FPGA
来减少系统的多个物
SOC; ( 3) Leon2，
欧洲航天局
处理器以及之上的
Sparc
; ， “ ” ，
理组件 第二 软核的 能见度 是非常高的 系统设计
．
的处理器
开发兼容
与开源软件的全免费不同 开放源码硬件最终要
． FPGA
，
人员不仅可以了解处理器架构 同时也可以为不同应
，
［33 ～ 38］
; ，
硬件的实现深度定制 第三 由于其卓越的
用领域
物理实现才能验证其设计是否达到预期
以其快
速灵活 初期投入成本低廉 成为开源硬件最适合的开
SoC-FPGA Opencores
，
灵活性 软核能够在任何的目标
FPGA ASIC
器件和
技
，
，
［39 ～ 41］
．
术
进行实现
．
发平台 这也为
直接应用
中的开
，
虽然软核天然具有经济性 成为许多设计者和工程
IP
源处理器 提供了便利
．
． ，
师的选择 然而 现在市面上众多的开源处理器使得开发
为了让开源硬件社区的项目易于共同开发和沟
． ，
人员的选择过程变得十分困难 除此之外 在选择开源处
， ．
通 通常会提供统一的开发板 例如
，Opencores
社区广
这两款开
FPGA
， 、 、
理器时 也需要考虑其可靠性 可视性 实用性以及稳定
Micro FPGA Board
OCRP-1 board
和
泛使用的
［48，49］
．
SoC ISA、
，
系统 软核的选择应该从
，
Xilinx
Vertix
公司的 系列
性的特点 针对不同的
授权许可以及工具链的开源处理器多方面考虑 本综述
178
发板
就是采用
设
便是在这块板上进行
Openrisc 1200
和 均可以成功
．
．
计的 大名鼎鼎的
OpenRisc1000
．
了原型验证 目前
，Leon2
回溯了
处理器的一套原则 本文同时也将现有
Stratix V
个开源处理器并给出了如何选择合适的开源
．
FPGA
Linux
，
系统 这些都为开源硬件和软件的社区融合
厂商提供
Virtex-7 FPGAs
和
运行
打下了基础
2． 3
．
的软核和开源处理器通过在
，
进行实现 并对试验结果做了比较和分析
．
中国开源处理器的发展状况
国内有案可查的开源处理器项目是
OpenARM． ，OpenARM
:
本综述的主要贡献是
2001
3
年
月启
( 1)
．
总结和分类开源社区中的开源处理器
动的
含的那样与设计
ARM
然而
并不像它的名字所隐
( 2)
提出一种如何从开源处理器中选择具有较高
ARM
． ，
处理器有关 实际上 该项目仅利
．
稳定性和可用性的开源处理器的方法
，
MEMEC
月捐赠的一块
的外围扩展模块
(
用了现成的
芯片 外加了
公司 现已被
Xilinx FPGA．
． FPGA
( 3)
实现并比较了数个备选开源处理器和现有的
Avenet
)
收购 于
2002
3
年
FPGA
．
厂商提供的软处理器
，FPGA
ARM
其中
是作为
的引
代码的形式进行管理
OpenCores
HDL
和跟踪 该项目后期还充分引入了
入使该设计可以很容易地用
2
研究现状
．
社区已有
［50］
2． 1
开源硬件的产生
， Wishbone
的成果 如
．
总线
1998
，
年 荷兰代尔夫特理工大学发起
Open Design
， “ ” ，
此后 随着国家对 中国芯 的大力支持 中国科学
［42］
Circuits Group
是开源硬件的雏形 这启蒙了后来著名的两个开源硬
: Opencores OpenIPcore．
，
，
组织 目的是在网上开放电路设计 便
、 、 、 、 、
院 国防科技大学 北京君正 北大众志 苏州国芯 杭州
．
、
中天 总参
56
．
所等研究单位逐渐崭露头角 在他们的不
［51］
［52］
，
此后 越来越多的研究
件网站
和
，
断努力下 国内也诞生了龙芯系列
、FT
、X
系列
［53］
［54］
［55］
者和工程师们选择把他们的设计公布到这两个开源网
Burst
、Uni-Core
、C* Core
申威 等一批自主研发的优秀
品 虽然其中某些处理器项目参考了开源处理器的部
、CK-
系列
系列
系列
［43］
［56］
［57］
． 2000 ，OpenIPcore
Opencores
．
站上
年
合并入
撰写了许多最初的
并定义了开源硬件及其商业模式 也参与了最
F-CPU、gEDA ． 2006
CPU
、
CPU
系列
产
Jamil Khatib
Opencores
奠基性
．
［44］
，
，
文档
早的
除了
， 、 、
分源码 但更多内核设计属于自主开发 指令兼容 逆向
，
等项目的开发
年 他甚至建议
、
设计 技术授权或技术引进等
．
http
，
之外 在互联网上还需要添加
Hardware Com-
3
开源处理器的关键技术指标
puting Resource Protocol， “hcrp: / /”，
比如说 专门用来进
．
，
行硬件资源下载
近年来开源软核处理器数目迅速增加 开源软核
． FPGA
厂
，
随着设计规模越来越大 芯片设计越来越向
SoC
方
处理器在嵌入式领域也获得了广泛的知名度
， ．
向迈进 以达到快速设计出原型系统的目的 这时
，IP
，
商和开源社区提供了大量的开源软件处理器 这些处
核
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