有時，微控制器本身可以完全滿足設計的所有功能要求。對于大多數嵌入式系統設計，編程良好、高度集成的嵌入式處理器是工程師可用的最具成本效益、最節能、最快的解決方案。

當原始性能至關重要時，專用硬件中捕獲的邏輯可以實現最高水平的性能。例如，定序器可以比在軟件中實現的相同邏輯快一個數量級。

由于分立邏輯器件占用大量空間和功率，添加 FPGA 可能是一種可行的替代方案；在許多情況下，FPGA 和微控制器的組合是一個很好的解決方案。當微在 FPGA 的邏輯中實現時，更密集的解決方案是可能的。作為硬編碼宏，或在每個新設計中被替換和路由的軟宏，將整個微控制器吸收到 FPGA 內部不僅可以產生最高的密度，而且可以產生最大的靈活性，特別是如果你有足夠的勇氣去實際修改核心以提高性能。

本文著眼于在現成的 FPGA 中愉快地運行的微內核。這些可從各種來源獲得，包括開放式和封閉式、免費和 IP 許可的。

比原來的更好

遺留和專有架構都可以使用，并且各有優勢。舊版內核與舊版 micros 兼容，并提供熟悉的架構。然后，您公司生產的產品可以使用已經過測試和驗證的代碼。當需要下一代產品甚至新的改進模型時，組織良好且可靠的代碼庫的可重用性可以節省大量時間。

幾個流行的內核已經以原始邏輯形式用于各種 FPGA 系列，包括處理器，例如Microchip PIC、英特爾 8051、Atmel AVR、摩托羅拉 6502、英特爾 8080 和Zilog Z80 微控制器，僅舉幾例。

一個不那么明顯的優點是能夠改進初始架構。如果時間和資源允許，可以克服缺點，因為您可以修改設計。例如，非常流行的 8051 架構最初是采用順序架構引入的，每條指令需要 12 個時鐘周期。精確的遺留實現可以反映初始功能，或者可以實現更現代的風格，減少每條指令的時鐘周期數。

8051 的改進 IP 內核也可用于跨平臺開發。R8051XC2-BF 內核1可用于 ASIC 或Xilinx和Altera FPGA；它通過添加第二個數據指針（初始設計的一個缺點）和 JTAG 調試接口（圖 1）對初始設計進行了改進。

圖 1：傳統內核的商用實現通常會改進最初的分立設計。這個 8051 內核每條指令運行一個時鐘，并添加了 JTAG 和第二個數據指針。

ARM內核

雖然許多設計可以使用 8 位內核，但現代功能可能需要更高的總線寬度來簡化處理。如果您正在處理 24 位寬的圖形數據，則單個 32 位傳輸比三個 8 位傳輸更有效。

也許最流行的 32 位架構是 ARM Cortex，毫無疑問，它已成為流行且得到良好支持的 FPGA 實現架構。從面積和功耗的角度來看，ARM Cortex 非常高效。眾多工具和開發套件以及用于外圍設備、內存管理、數學和 DSP 功能的開源代碼都很好地支持可擴展架構。

ARM 內核的一個很好的特性是它們不是某個 FPGA 制造商專有的，并且可以在不同制造商的設備上實現。這意味著隨著設計的發展或需求的變化，您不會被鎖定在一個供應商中。

另一個好處是架構從更簡單、功能更弱的Cortex M0擴展而來高達非常高端的多核A8和A9口味。這還帶來了經過軌道驗證的驅動程序和堆棧的好處，這些驅動程序和堆棧適用于 USB、以太網、Wi-Fi、ZigBee、藍牙等高端外圍設備。

Xilinx 系列器件是嵌入式微核的大力支持者，ARM 架構也不例外。XC5VLX50-1FFG676C等部件是流行的 Xilinx Virtex 5的一部分系列，并且是可以在芯片上容納快速和密集系統的非常大、密集和高端 FPGA 的示例。550 MHz 部件具有 440 個 I/O 和超過 46，000 個邏輯塊，不僅支持 ARM 內核功能，還支持高達 72 位寬的存儲器寬度、流水線操作、FIFO、具有高達 16.4 Mb 內部塊存儲器的雙端口存儲器和 DSP 功能。

Microsemi是另一家提供 ARM 內核支持的 FPGA 制造商，ProASIC3系列是一個很好的目標技術，具有令人印象深刻的低端到高端邏輯、I/O、RAM 和 15，000 到 3，000，000 門數。一個很好的例子是具有 341 I/O 和 516 Kb 內部 RAM 的A3PE3000-FGG484 。

Altera 有類似的部件，如EP3SL50F780C4N，它同樣支持 ARM 核心處理器，還為 DDR、DDR2、DDR3、SDRAM 等提供內存支持，最多可在 24 個模塊化 I/O bank 上使用 448 個 I/O（該系列中最多 744 個）。作為Stratix III系列的一員，Altera 提供對 Altera Mega-Function Partner Program （AMPP） 的訪問，以獲得可用的外設、內核和支持。Altera 還通過其 Altera MegaCore 功能支持多種知識產權（圖 2）。

圖 2：高端 32 位 ARM 架構是許多 FPGA 的流行內核。這個 Altera 版本增加了多核調試和跟蹤功能，簡化了單個 FPGA 內多個實例化處理器內核的設計。

專有內核

除了行業標準的微控制器內核之外，FPGA 制造商還提供專有內核，這些內核邏輯效率非常高，可擴展至 8 至 32 位性能級別。這些供應商的關鍵是不要在不需要的功能和外圍設備上浪費邏輯；如此經常縮減，實現了準系統處理單元，以提供基本的可編程性和與 FPGA 內部大型邏輯池的接口。這不僅可以讓內核快速運行，還可以讓它們足夠小，以便在您的 SoC 內創建您自己的雙核、四核甚至八核處理器。

Xilinx 將此類內核指定為 Blaze，提供 PicoBlaze 和 MicroBlaze 兩種風格。PicoBlaze 是一種 8 位 RISC 架構，具有高達 240 MHz 的性能。它主要設計用于 VHDL 設計流程，并作為 VHDL 源文件提供。一旦在 13 個不同的 Xilinx 系列之一中實現，它就不需要外部組件，并且完全在主機部分內運行。

支持的系列包括Kinetex-7、Artix-7、Virtex（4、5、6、7、II-Pro）和Spartan（3 和 6）。

從資源和復雜性的角度來看，PicoBlaze 相當斯巴達（雙關語）。它具有一個 16 x 字節寬的通用數據寄存器、1K 的可編程片上程序存儲（在 FPGA 配置期間自動加載）、一個字節寬的算術邏輯單元 （ALU），帶有 CARRY 和 ZERO 指示標志，64 字節內部暫存器 RAM，以及 256 個輸入和 256 個輸出端口，便于擴展和增強。

另一方面，它具有可預測的性能，每條指令總是兩個時鐘周期，最高可達 240 MHz（或在 Virtex-4 FPGA 中為 100 MIPS）和 88 MHz（或在 Spartan-3 FPGA 中為 44 MIPS）。PicoBlaze 對 Xilinx 用戶免費，并附帶一個匯編程序和 VHDL 源代碼。

高端的是 Xilinx MicroBlaze。這是一個 32 位 RISC 哈佛架構軟處理器內核，具有 32 個通用 32 位寄存器、ALU、針對嵌入式應用程序優化的豐富指令集、三級 MMU/MPU 支持等。

該內核的靈活性（圖 3）允許您選擇性能優化的五級流水線，通過 Kinetix-7 系列（如XC7K70T-1FBG676C）或 3 級流水線區域可實現高達 317 DMIPS在 Kintex-7 或 Virtex-6 和 7 系列部件（如XC6VLX130T-1FFG784C）上仍可實現可觀的 264 DMIPS 的優化版本。

圖 3：Xilinx FPGA 的專有 32 位 MicroBlaze 內核具有條件編譯指令，允許您添加所需的模塊并刪除不需要的模塊，以節省邏輯并提高密度。

Altera 還提供了一個稱為 NIOS 的專有內核，現在是第二代NIOS II版本（圖 4）。它被譽為業內使用最廣泛的軟處理器，具有實時性能、功率靈敏度和安全關鍵 （DO-254） 合規性。

圖 4：Altera 的第二代 NIOS II 內核被吹捧為 FPGA 使用和支持最廣泛的 IP 內核，并帶來了許多開發和調試功能。

六級流水線 NIOS 內核可以用少至 600 個邏輯元件和特征向量中斷控制、緊密的內存和 DSP 耦合以及添加自定義指令（最多 256 個）的能力來實現。它可以使用內存管理單元 （MMU），并支持開源和商業支持版本的嵌入式 Linux。

可行的替代方案

您的設計細節將決定您應該選擇硬宏還是軟宏。硬宏占用 FPGA 內部的特定位置和資源，但硬編碼宏具有更好的特性，可以實現更好的性能。

軟宏也可以實現良好的性能，特別是如果您有足夠的勇氣修改、改進或并行它們。與往常一樣，良好的設計實踐將產生最佳結果。

總之，當需要盡可能高的密度和/或性能時，選擇 FPGA 內部的軟處理器而不是傳統的微控制器及其所有支持電路在靈活性、效率、性能、功率、和空間。