第二回
两选难用核围城 IP核探秘

莎士比亚说：“生，还是死？这是一个问题。”（《哈姆雷特》）众人在下面鼓掌。贫僧今天问：“用，还是不用？这是一个问题”。台下，狄更斯回答道：“丢一个硬币决定吧！”（《远大前程》）哄笑。

贫僧曾经在免费讲座里面，简单地描述了这个问题。

“我们都是工程师，不属于时尚界，在开发的过程中也会遇到各种取舍。FPGA里面，存在着两个流派：到底是基于厂家的IP核（IP Core，Intellectual Property Core。遍寻网络汉语都叫“知识产权核/IP核”，窃以为是哪个人用谷歌工具机械翻译来的。没有考据，也不敢特别武断。时代不行了，达不到“信达雅”啊。）的快速开发，还是面向ASIC的基础开发。前者，工作量小、开发效率高，但是，却无法直接将我们在FPGA上的设计引入未来的ASIC设计。后面的方法呢，虽然存在直接将我们在FPGA上的设计引入未来的 ASIC 设计的可能，但是耗时耗力，开发周期长。还是武当、少林的说法，这两个方法都没有绝对的对和错，所谓“存在即合理”，只是要区别应用场合选择。

现在看来，即使上面的说法不是错的，也至少是片面的。在当时写的时候，鄙人犯了“老王卖瓜”的毛病。为了多拉些人来点击，竟然就信口雌黄了。这个需要反思。子曰：“知错能改，善莫大焉。”各位就宽恕贫僧则个。再做一次小人，大伙儿想想，我为了一个免费的讲座，尚且如此，推己及人，那些靠提成赚钱的市场和销售又该如何呢？

1.关于IP核的战略情报

犊子扯远了，闲言少叙，言归正传。《孙子兵法》有云：“知己知彼，百战不殆。”现在就放出流星探马、间谍细作，去探听IP核的虚实。

大家先来看看什么叫 IP 核。综合各种资料上的说法，IP 核是集成电路/FPGA 设计里面的专用名词，是指某厂家/个人具有版权的、经过验证（这点在有些时候，值得怀疑）的、具有特定功能的并且可以集成在其他设计里面的电路设计模块，这些模块可以是免费的也可以是收费的。

这个定义里面有几层意思。首先，只在集成电路/FPGA设计领域用“IP核”这个名词。换到软件行业里面，这个就叫“开源代码/程序”了。您如果和软件工程师去说什么IP 核，那就是典型的鸡同鸭讲。其次，“IP 核”具有一般意义上的版权。版权是知识产权的一种，这也就是“IP”的来源。换句话说，在别人没同意的前提下，您就使用别人的IP核，理论上是侵权的。具体操作以及实际侵权惩戒，属于知识产权保护的领域，按下不说。第三，理论上说，IP核经过验证，可以放心使用。至于这些IP核是否真的被验证，或者验证到什么程度，都是值得商榷的。俗话说：“害人之心不可有，防人之心不可无。”俗话还说了：“商场无兄弟，赌桌无父子。”话仅到此，大家自己领会精神。第四，IP核的功能是大伙儿做系统需要的。这基本属于废话，没有养猫的人非要买马嚼子的。第五，可以直接，也可能通过修改，把IP核集成到自己的设计里面。这也是必须做的，不能集成也就没用了。最后，是商业模式问题：“这些模块可以是免费的也可以是收费的。”提醒一句，如果是免费的那种，遇到问题别哭天嚎地地骂人家作者。俗话说得好：“白吃枣别嫌核大。”

IP核按照开放程度呢，又分为软核（Soft Core）、固核（Firm Core）和硬核（Hard Core）三种形态。

硬核一般是芯片网表形式的，一般输入输出信号以及内部结构都是固定的，内部较其他两种类型核的轻便性和灵活性差。硬核是指以电路版图形式提交的核。因此，其总是与特定的实现工艺相关，而且核的形状、大小以及核的端口的位置固定。所以灵活性最小，可复用性最低；但正是由于硬核具有不可更改性，使得其性能最稳定，可靠性最高。

固核一般用门级硬件描述语言（HDL）/网表形式提供，像硬核一样，固核可以携带许多配置数据，而且可以配置许多不同的应用软件，通常对应于某一特定的实现工艺，因此，与软核相比，其性能更加可靠。此外，固核一般由使用者来完成布局布线，核的形状、大小以及核的端口的位置不固定，与硬核相比，具有更大的灵活性。但是，固核也有其自身的弱点，即与实现工艺的相关性以及网表的难读性。与实现工艺的相关性限制了固核的使用范围；而网表的难读性使得一旦用户在布局布线过程中出现时序违反情况，如何排除就显得非常困难。

三者之中最具灵活性的是软核，可以以一个网络列表（一列逻辑门位和互相连接而成的集成电路）或者硬件描述语言（HDL）代码的形式存在。软核不依赖于最终的实现工艺，因此具有很大的灵活性。使用者可以非常方便地将其映射到自己所使用的工艺上，可复用性最高。此外，软核的使用者完全拥有源代码，使用者可以通过修改源代码，并对源代码进行优化生成自己的软核。但由于软核所提供的是RTL级描述，而用户将其嵌入到自己的设计中，必须对从RTL到版图的转换全过程负责，从而使得设计的复杂性大大增加；同时核的性能在这种转换过程中也难以得到保证。

“抄”了很多别人的描述，连贫僧看着都快睡着了。这些科技论文非要写成八股文似的，叫人费解，难道是为了体现理论水平？贫僧更欣赏“深入浅出”的写法，就是：“最高的理论水平，就是解释得连文科生都能懂。”某虽然没有达到这个要求，但是最少也在向这个方向努力。

下面就是在下的原创了，用一个例子说明这三种“核”的区别。列位展开想象，大伙都是大老板，去买一个累加器的IP核去。累加器及其输入输出如图1.8所示，输入输出除了包括数据之外，还包括复位（RST）、清零（CLR）和使能（EN）等。

您到了第一家店，国营军工的“硬核”。在店里，有货叫硬核16比特宽度累加器。你看了看，性能还算不错。但是，和您的设计有点出入，你只需要8比特宽度的就够了。

于是你问店员：“能改成8比特宽度不？”

得到的答案是“No！这是洋文，你不懂。”

“能不要使能不？”

"No!"

……

所有的回答都是“No！”。

您去的第二家店，合资的“固核”。在店里，有货叫固核16比特宽度累加器。怎么还是16比特宽度的啊，16这个数目是数字设计的吉祥数字？

于是，你陪着小心和店员打商量：“能改成8比特宽度不，亲？”

经理听到这个，小跑出来了：“尊敬的顾客，改比特宽度难了点。”

您有些失望了，怎么都是这个德行啊。别急，经理还有话说：“要是去掉一些信号，例如使能信号，那个没问题。”

您不得不去了最后一家店，个体的“软核”。在店里，有货叫软核16比特宽度累加器。16！看着16都头大了。说句粗话成不？不成？不成就没话了。

你二话不说，也不想去触霉头了，转身正想走。店主奔出来了：“大爷慢走！您老有什么要求，只要不犯法的，小店都可以满足。”

你一听有门，战战兢兢地问：“能改成8比特宽度不”。

“别说8位了，就是80比特都成！”然后，声音轻了很多地补充道：“您老，需要自己改。”

以上摘录来自参谋部综合细作的各种情报总结而成的关于IP核的有关报告，供大家参考。

2.关于CPLD/FPGA的战术情报

贫僧掐指一算，客官们做可编程逻辑的居多。所以这里略微介绍一下 CPLD/FPGA的IP核设计情况。

FPGA厂家为了方便客户，也是为了长期效益，在设计环境中，提供了多种IP核给工程师们使用。贫僧对于商业模式啊，市场策略啊之类涉猎不多，在此再多说就是“关公门前卖大刀”的感觉了。

图1.9是Xilinx公司的IP核生成器界面的截图，可以看到这个生成器可以提供的一部分IP核的名称，看起来有很多名字，一种很强大的感觉。（插播广告）诸位不必忙着崇拜。等你们读完本书之后，大部分的IP核，你们都会自己设计了。

具体可以用的IP核内容、接口，以及是否免费，需要去对应器件提供厂家的网页上查找。

这些IP核又分为两种，下面分别介绍。闲话一句，技术上，就是喜欢分类总结，这是套路，大伙学着点。

一类的IP核与CPLD/FPGA内部器件有关，例如块RAM（Block RAM）和锁相环（PLL，Phase Lock Loop），所以这些都是免费的。这些器件是CPLD/FPGA内部的，需要通过IP核的形式与您的设计联系起来。这里的IP核的说法，有些牵强。可是已经约定俗成，我们就不去较真了。当贫僧还是小沙弥的时候，就犯过错。当时，某家要用一个乒乓RAM做接口，这个就是用IP生成器做两个块RAM的事情，简单得大家都不屑于讨论。但是，沙弥不懂这个，直接用逻辑自己做了RAM。结果布局布线三个小时都没出来，被老方丈骂得那个惨啊。

另一类的IP核才是真正意义上，本文上面讨论的IP核，可以帮上大家。这类IP核有免费的，但是大多数是需要付费的。图 1.9 里面选中的就是一个乘法器的核。这种简单的核估计是免费的，这叫钓鱼的饵。复杂的核，例如通信协议里面的译码器，就是价格不菲了。还有，一般这些核属于固核的范畴，可以参数化修改。

所有核的输入输出信号以及时序，厂家有详细的数据手册来介绍，大伙儿只要细心也不难。这种核的连接方法和外部器件基本一样。本书后面也有内容介绍如何匹配。

然后，自然有厂家的销售会向你们说IP核的好处，不外乎如下几条。

（1）通用性，即具有某一功能的IP核，可以在不同应用方面使用。IP核具有满足子功能可配置甚至可编程的特点，如最常见的嵌入式CPU模块具有非常好的通用性。

（2）正确性，即有百分之百的保证。IP核的实现严格遵守一系列的可重用设计开发规范，IP核的验证用例必须具有完备性，功能覆盖率、测试覆盖率都能达到百分之百。IP核工作的临界条件提供相应的大流量测试、随机性测试，甚至能够提供软硬件协同仿真的测试环境等。

（3）可移植性，即IP核的实现，如行为描述、网表、GDSII文件，具有可移植性，其设计输入可以在不同的开发平台上重现；综合用批处理文件具有可移植性，IP核的综合结果可以用不同的综合工具，在不同的综合库条件下正确重现；IP核的验证可以用不同的仿真器，在不同的仿真库条件下重现。（说句他们不喜欢听的，这个可移植，一般最多是一个厂家的不同器件之间的移植。A公司不会“仁”到这种程度：为作为竞争对手的B公司，去做免费IP核。这个就是唐诗里的“却为人做嫁衣裳”的行为，只有大脑有些贵恙的人才玩。这是商场，不是“失弓得弓”那么简单的事情。）

至于这些优点里面是否有水分和掺了几成水，列位自己琢磨。

3.维谷，又见维谷

现在，大家来尝试着讨论一下，“一个项目里面是否该采用IP核，以及该采用多少？”这个问题。

IP 核的概念和优点，前面说了很多了。接下来该发挥贫僧嘴贱的特点了，聊聊 IP核的坏处和问题。

首先，一般稳定的，特别是可以供ASIC设计的，IP核是要花钱的。这有点废话的感觉，自己开发也要花人力资源和实践，这对老板而言也是钱。但是，很多IP核要持续花钱。也就是说，你用一次就要交一次钱。这个是固定成本。相对而言，自己开发则是一次性投资，后期会被出货量平均掉。这个不是一般开发工程师的事情，大伙儿看看热闹好了，不必追究细节。

其次，采用IP核的系统结构，就必须符合这些IP核的结构，不利于结构的优化。本书的后面，大家将会看到：好的结构，需要把单元的界限打破，重新组合。用了IP核，这种重新组合的限制就很大了。

最后，用IP核会损伤一些工程师的自尊心，还会造成一些人不求甚解的倾向。这个又是管理的事情，我们不关心。说一个故事吧，在《市场学》里面常作为案例。

话说，20 世纪80 年代米国市场上有两种鸡汤产品：一种是汤罐头，直接用微波炉加热就可以喝；另一种是浓缩汤，需要放进锅里面，加水煮煮才能喝。大家猜猜哪种卖得好？（请自觉盖住下面的文字，思考五分钟）揭晓答案的时候到了：是浓缩汤。因为，这个可以满足家庭主妇们的虚荣心：这个是我煮的。虚伪的美国人……

再发挥一下下，有没有不用这两种产品的人？当然有了，至少专业厨子是绝不会用的。在座想做主妇（house-wife）呢，还是厨师（chef）？这是职业生涯里面需要好好考虑的问题。（鄙人的倾向性很明显了，为了不被追杀，言仅到此，点到为止，点到为止。）还有一句话，那些IP核也是工程师开发的。

具体到一个系统，还是那句废话：根据产品时间和成本要求，酌情处理。

这正是，“焦点话题产权核，优势宣传满牛车；开发迅速周期短，品种繁多开发乐。系统优化或成奢，可靠兼容心忐忑；毁誉参半详分析，系统需求定取舍”。 AvjmarbJ2YPuvkf/VgzPtQAcMSiw0U3ClCfdv1yBwJ4KxRa/6MH9Qw/ihaepV6Tx