自由IP Core資源的利用

摘    要：本文介紹了與免費(fèi)IP Core運(yùn)作有關(guān)的問題以及免費(fèi)資源的若干來源，然后通過對(duì)兩個(gè)不同來源的、免費(fèi)的八位RISC CPU進(jìn)行比較和分析，給出了若干選用免費(fèi)核時(shí)應(yīng)考慮的問題。

引言
隨著集成電路單位面積晶體管數(shù)量的激增和人們對(duì)縮短設(shè)計(jì)周期的追求，設(shè)計(jì)重用已經(jīng)成為有效的應(yīng)對(duì)方法，它不但適合于ASIC，也適合于CPLD/FPGA。在CPLD/FPGA的設(shè)計(jì)過程中，由于開發(fā)工具的通用性、設(shè)計(jì)語言的標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)過程幾乎與所用器件的硬件結(jié)構(gòu)無關(guān)，設(shè)計(jì)成功的邏輯功能塊也具有很好的兼容性和可移植性，從而使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率大幅度提高。這些具有可再利用功能的邏輯功能模塊都可以成為IP Core，因此IP Core可以是算法核、加密核、微處理器等。TI公司認(rèn)為，一個(gè)ASIC設(shè)計(jì)80%的功能可用IP Core等現(xiàn)成邏輯合成，未來大系統(tǒng)的CPLD/FPGA設(shè)計(jì)將僅僅是各類再應(yīng)用邏輯與IP Core的拼裝。

自由IP Core
為何免費(fèi)
目前有許多商業(yè)公司出售IP Core ，但價(jià)格昂貴，原因之一是高昂的開發(fā)費(fèi)用。據(jù)測(cè)算，在IP Core的整個(gè)過程中，編寫源代碼所花費(fèi)的成本只占總成本的10%，而調(diào)試和修正則占50%，市場(chǎng)銷售和支持占到40%。如果將整個(gè)成本分?jǐn)偟蕉鄠€(gè)主體，那么對(duì)于單個(gè)主體而言成本就大大降低了，這就是設(shè)計(jì)開放共享的IP Core的初衷。由組織開放IP的機(jī)構(gòu)將自愿參加者的設(shè)計(jì)開放，使用者可以找到設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤，或加入新的內(nèi)容對(duì)原設(shè)計(jì)加以完善，使IP Core趨于成熟。同時(shí)CPLD/FPGA的生產(chǎn)商公布芯片的編程技術(shù)或者提供免費(fèi)的EDA設(shè)計(jì)工具，從而使開放式硬件的設(shè)計(jì)者可以將該公司的芯片應(yīng)用于新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，由此達(dá)到“多贏”的目標(biāo)。
充分意義上的硬件開放必須達(dá)到三個(gè)條件：首先，硬件的接口必須清楚地公布出來，這樣才能由他人自由的使用；其次，硬件設(shè)計(jì)本身必須公布于眾，這樣他人才能將其在不同的應(yīng)用中加以實(shí)現(xiàn)或糾錯(cuò)；最后，應(yīng)盡量采用免費(fèi)的設(shè)計(jì)工具，以便于其他使用者對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。
知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬和法律問題
免費(fèi)IP Core常用的認(rèn)證有GPL、LGPL等。這兩種認(rèn)證原來是用于自由軟件的，現(xiàn)已推廣到對(duì)自由 IP Core的認(rèn)證。大多數(shù)的軟件認(rèn)證都不允許對(duì)軟件共享與修改，而GPL認(rèn)證則旨在保證共享與修改軟件的自由，確保軟件對(duì)于所有的用戶都是共享的。GPL認(rèn)證為了確保用戶有傳播自由軟件副本、根據(jù)自己的需要進(jìn)行修改的自由，規(guī)定在傳播軟件的副本時(shí)，必須給予接受者同樣的權(quán)利。必須確定他們收到或者可以得到源代碼，并且知道這些條款，即自己的權(quán)利。
LGPL認(rèn)證應(yīng)用于某些特別指定的軟件包——共享庫(kù)。這一許可允許將這些庫(kù)連入某些非共享程序中。在法律上，當(dāng)程序中連入某個(gè)庫(kù)，不論是靜態(tài)的還是使用共享的庫(kù)，這兩者的結(jié)合都是原始庫(kù)的派生，因此，只有整個(gè)結(jié)合物符合共享的標(biāo)準(zhǔn)，GPL認(rèn)證才允許這種鏈接。但LGPL認(rèn)證則以更寬松的準(zhǔn)則允許其它代碼和庫(kù)的連接，因此在與非共享軟件的競(jìng)爭(zhēng)中，與GPL認(rèn)證相比，LGPL為共享軟件開發(fā)者提供的利益少一些。正是由于這一原因，許多庫(kù)使用GPL認(rèn)證，然而，在某些特殊情況下LGPL認(rèn)證是有利的。例如：在特殊的情況下，可能需要鼓勵(lì)某種庫(kù)的廣泛使用，以使其成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。為了達(dá)到這一目的，就會(huì)使用LGPL認(rèn)證，允許非共享程序使用這種庫(kù)。從另一個(gè)方面來看，允許非共享程序使用某種庫(kù)將可以促使大量使用共享軟件。例如，GNU C庫(kù)允許在非共享的軟件中使用促使了更多人使用GNU操作系統(tǒng)，以及它的派生GNU/Linux操作系統(tǒng)。

免費(fèi)IP Core的部分來源
許多非盈利的組織提供免費(fèi)IP Core，有些CPLD/FPGA的芯片廠商也提供這類共享資源，而芯片廠商提供較多的是針對(duì)他們所生產(chǎn)的具體芯片的共享設(shè)計(jì)。下面介紹兩個(gè)免費(fèi)IP Core的非盈利機(jī)構(gòu)。
OpenIPCore工程
該機(jī)構(gòu)旨在推動(dòng)開放式硬件的發(fā)展，其業(yè)務(wù)既包括提供開放核的平臺(tái)，也對(duì)開放硬件核的權(quán)益進(jìn)行認(rèn)證，定義設(shè)計(jì)的方法以及設(shè)計(jì)接口的標(biāo)準(zhǔn)化。該機(jī)構(gòu)收集經(jīng)其授權(quán)的設(shè)計(jì)以及免費(fèi)的開發(fā)工具例如gEDA、Savant等，供設(shè)計(jì)者自由選用。另外為已有的設(shè)計(jì)如編譯器、驅(qū)動(dòng)器、外部電路提供工具、設(shè)計(jì)和文檔的支持。
OpenIPCore工程的基本條款包括：電路核是可以更改的,但必須修改文檔記錄；不能靠出售核本身來贏利，但是可以出售用核實(shí)現(xiàn)的設(shè)備，例如基于某些免費(fèi)核的集成電路、基于某些電路圖或版圖的電路板，甚至可以是文本模式驅(qū)動(dòng)的圖形界面；任何更新都應(yīng)該備案，并反饋給原設(shè)計(jì)者；對(duì)核的更新、修改或加以完善等成果都應(yīng)該是共享的；將原封不動(dòng)的共享核與其他模塊結(jié)合產(chǎn)生更大的設(shè)計(jì)，可以在OpenIPCore認(rèn)證下共享，也可以受其他認(rèn)證的保護(hù)；該網(wǎng)站不保證在實(shí)際硬件實(shí)現(xiàn)中核的功能和性能。該工程采用OHGPL認(rèn)證，對(duì)基本原創(chuàng)性工作和導(dǎo)出性工作做了明確的定義。該機(jī)構(gòu)不排斥發(fā)布人采用其他認(rèn)證，但要求有明確的聲明。
Free-IP 工程
該機(jī)構(gòu)的目標(biāo)在于利用傳統(tǒng)工具發(fā)展自由的或成本較低的IP core。由Free-IP 工程提供的IP Core權(quán)益不歸公共所有而歸發(fā)布人所有。使用Free-IP核必須遵循以下幾點(diǎn)：核的使用是自由的，但是必須遵循所注明的費(fèi)用項(xiàng)中的信息；不可以出售核，但可以收取復(fù)制的費(fèi)用，也可以對(duì)自己添加的有價(jià)值的部分收取費(fèi)用；允許對(duì)核修改，但是Free-IP工程不對(duì)所做的修改加以認(rèn)證；對(duì)于核的使用沒有任何限制，可用于軍用、商用、教育等領(lǐng)域。

八位RISC CPU
的比較和分析
核的使用者最關(guān)心的是其可靠性。想對(duì)所有免費(fèi)核做出可靠性評(píng)價(jià)是不可能的，本文通過對(duì)兩個(gè)8位(指數(shù)據(jù)總線的寬度，指令碼為12位)RISC核的對(duì)比和分析，給出了在使用免費(fèi)核時(shí)可靠性方面的大體概念。
RISC5X是一個(gè)用VHDL編寫的、與Microchip公司的PIC16C5系列兼容的CPU核，該系列CPU除了程序分支指令外，全部是單周期指令，所以RISC5X在40MHz單一時(shí)鐘下基本可以達(dá)到40MIPS的處理速度。 如采用Xilinx 公司的Virtex-E系列FPGA，該核占用110CLB單元，在E-6上速度可達(dá)33MHz，在E-8上可達(dá)40MHz。該核提供了VHDL源代碼和16進(jìn)制代碼，并且提供了一些不錯(cuò)的免費(fèi)工具，包括編譯器、仿真器和匯編工具(gusim、guasm等)。該核所提供的每一個(gè)宏都采用兩種結(jié)構(gòu)體寫成，一種只適用于Virtex系列目標(biāo)芯片，另一種是用VHDL的RTL級(jí)描述，用戶必須根據(jù)需要在源程序中作出相應(yīng)選擇。但是存在的缺點(diǎn)是用于定義總線寬度的宏，在第二次使用時(shí)，有些綜合器并不按要求重復(fù)產(chǎn)生第二個(gè)硬件模塊。一個(gè)解決方法是將該宏轉(zhuǎn)換為EDIF格式，每次用到時(shí)使用與其對(duì)應(yīng)的EDIF文件名。另一個(gè)不足是該核對(duì)于雙周期指令未做處理，需要用戶自己對(duì)程序計(jì)數(shù)器做一定修改。
RISC8是與RISC5X很類似的免費(fèi)核，與Microchip公司的PIC16C57兼容。該核在ASIC和FPGA層面上都是可綜合的，并且已經(jīng)被使用過。該核提供了CPU、指令譯碼器、寄存器、累加器、RAM等基本部件，此外還提供了基本的測(cè)試向量。在該核的程序包里還可以找到“basic”和“DDS”兩個(gè)匯編程序，basic用來檢測(cè)RISC8的指令，DDS則是利用該核的一個(gè)應(yīng)用程序。此外還提供了關(guān)于16C57的第三方資源。但是與16C57相比，兩者是有明顯差別的。表1列出了兩者在功能方面的比較。與其他免費(fèi)核一樣，該核也有明顯的不足之處，如狀態(tài)字STATUS中的DC位功能沒有完成，以及TRIS不能影響I/O口等。
相比之下，RISC8應(yīng)該比較成熟，但是由于不能直接使用I/O口，對(duì)于有此需要的用戶來說，顯然尚有很多要做的補(bǔ)充工作。RISC5X的工作相對(duì)比較齊全，僅在測(cè)試方面稍嫌不足。雖然雙周期指令不能直接使用，但是可以用別的指令替代。
從以上比較可以看出，免費(fèi)核總是有缺陷的，但是工程師可以根據(jù)自己的需要找到較為合適的核和使用方法。一般說，一個(gè)核往往是由多個(gè)模塊組成的，有經(jīng)驗(yàn)的工程師完全可以自行“拼接”比較成熟的模塊，成為自己的核。本文的建議如下：
* 在決定選用某個(gè)核之前先仔細(xì)閱讀有關(guān)該核的評(píng)論(一般可以在核所在的網(wǎng)頁(yè)上找到)，選用那些所存在的缺陷并不影響個(gè)人應(yīng)用的核。例如有些未完成的部分你恰好是不用的；
* 如有多個(gè)版本，則宜選用高版本核。高版本都會(huì)對(duì)核的BUG進(jìn)行修改，優(yōu)化后的核通常會(huì)有更高的可靠性，例如工作頻率的提高等，可以適應(yīng)更高性能的芯片。
* 如果使用FPGA實(shí)現(xiàn)，應(yīng)盡量采用與發(fā)布人一樣系列的目標(biāo)芯片。隨核發(fā)布的說明文件中通常會(huì)指出該核使用何種語言、用何種軟件環(huán)境調(diào)試、曾經(jīng)綜合下載到何種芯片以及硬件調(diào)試設(shè)備等，在使用時(shí)，最好選用同樣的芯片和調(diào)試環(huán)境，而且最好選擇同時(shí)發(fā)布測(cè)試向量的核，這樣測(cè)試起來比較方便。
* 選擇時(shí)要考慮核使用何種總線標(biāo)準(zhǔn)。如果把不同的IP Core組成一個(gè)系統(tǒng)，則需要這些IP Core具有標(biāo)準(zhǔn)的接口。通常情況下，要盡量避免使用三態(tài)總線，因?yàn)槿龖B(tài)總線技術(shù)依靠電路延時(shí)來避免時(shí)序沖突問題，這種對(duì)工藝的依賴性，不利于IP Core的復(fù)用。免費(fèi)IP Core通常使用Wishbone總線標(biāo)準(zhǔn)，由于其開放性，擁有了不少的用戶。它的特點(diǎn)是同時(shí)支持高字節(jié)在后(BIG ENDIAN)和低字節(jié)在后(LITTLE ENDIAN)的字節(jié)編址方式；支持多個(gè)主單元；支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、數(shù)據(jù)流、共享總線以及交叉開關(guān)等連接方式。尤其是其交叉方式使得多個(gè)主單元可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，大大提高了數(shù)據(jù)吞吐率。

結(jié)語
免費(fèi)IP Core這一豐富的共享資源的有效利用將會(huì)帶來巨大的價(jià)值，開放式硬件的商業(yè)應(yīng)用也是有可能實(shí)現(xiàn)的。基于開放式硬件設(shè)計(jì)的商業(yè)模式可以從設(shè)計(jì)的支持、實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用等方面進(jìn)行，只要仔細(xì)研究開放機(jī)構(gòu)的宗旨和規(guī)定，使用者就可以發(fā)現(xiàn)很多商業(yè)應(yīng)用的渠道。■

參考文獻(xiàn)
1 潘松，黃繼業(yè). EDA技術(shù)實(shí)用教程. 科學(xué)出版社. 2002