最近在做数字逻辑电路与系统的实验和课程设计，原本对硬件和电路不感兴趣的我对 FPGA 产生了一点兴趣，特别是学校发的 DE1-SoC 开发板功能很强大，几番资料查询后更是感觉打开了新世界……接下来就对 FPGA 开发中涉及的几点概念进行说明。
MCU
MCU 全称是 Micro Control Unit，原本概念很广，现在一般指单片机，最典型的 51 和 STM32 都是 MCU。FPGA 上是可以集成 MCU 的，用来实现特殊的功能。
IP 核
IP软核一般指的是用硬件描述语言描述的功能块，不涉及具体电路元件实现，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。
IP硬核是以经过完全的布局布线的网表形式提供的，由于不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，但移植性差。
Nios
Nios 是一个精简指令集的处理器（架构）系列，专用于 Intel/Altera 公司的 FPGA 产品。
和一般的处理器不同的是，Nios 是一个软核处理器。可以理解为，在需要时人为在 FPGA 上划出一部分资源，使其成为一颗处理器，而不需要处理器时该部分资源又和普通的 FPGA 一致。不仅如此，Nios 的结构和组件可以根据需要灵活增添，因而英特尔号称 Nios II 是 “全球最通用的处理器”。
至于为什么 FPGA 需要 Nios，是因为一些功能仅靠 HDL 设计电路来实现比较困难，Nios 作为片上的处理器可以更好地负责复杂的逻辑，同时和外围的电路相结合发挥更大的作用。
Nios 上的软件可以基于 C，C++ 或汇编语言开发，Nios 提供相应的库函数，简化了开发难度。甚至现在也有 Nios 架构的 Linux 内核，可以在上面运行 Linux。
需要注意的是，由于 Nios 使用的是 FPGA 本身的资源，所以简单的功能用 Nios 实现比较浪费，而且其性能很低。例如 Cyclone V GX 即使使用 Nios II /f 快速型软核，以 170 MHz 运行时 DMIPS 仅为 192，按比例算仍然远低于 Arm Cortex-A5。
HPS
HPS（Hard Processor System，硬核处理器系统）是指在 FPGA 上集成的硬核处理器，通常和 FPGA 芯片之间用高速总线连接，并且能够通过 HPS - FPGA Bridge 实现访问 FPGA 的资源，也能使 FPGA 访问到连接到 HPS 的资源。
以 DE1-SoC 开发板为例，其集成了 800MHz 双核 ARM Cortex-A9 处理器，以及相应的资源，例如 1G DDR3 内存、SD 卡槽、千兆网卡、USB 插槽等。
在 FPGA 上集成 HPS 的主要作用在于，可以使用 HPS 完成复杂的工作，同时和 FPGA 的灵活电路设计相配合，实现更强大的功能。这一点和 Nios 相似，但也说明了在拥有 HPS 或者集成了 MCU 的板子上，Nios 稍显鸡肋。
另外举个栗子，在 ARM 的处理器上可以跑人工智能/挖矿等程序，如果对其中涉及的重要算法使用 FPGA 专门设计电路实现，就可以大大提高计算性能，目前云计算厂商推出的带 FPGA 卡的云服务器，就有这种优势。（没有特别了解过，个人理解是相同的原理）
小结
FPGA 本身是一个可变的逻辑器件，在 “编程” 的时候需要纠正很多写软件的习惯和概念，尤其要打好数电基础，不然写出来的代码会 “貌似” 无比正确，但一综合就各种报错。
另外就是，使用 FPGA 应该明白自己的目的是什么，不要偏差太远。特别是，现在功能比较完善的开发板都有软核资源甚至硬核集成，一开始就应该根据需求权衡利弊，选择恰当的技术路线。至于具体的选择上，网上冲浪时笔者看到了一句话，“CPU是串行的，本身 FPGA 的电路是并行的，用 Nios 把并行的改成串行的，反而更差”，可能这就是 Nios 或者 HPS 和 FPGA 本身的差别所在，我们要权衡的是实现复杂功能的易行性和对性能的损失牺牲等等。想到这里忽然觉得有些哲学的意思了。
参考资料
[1] DE1-SoC_User_manual
[2] Terasic - DE Boards - Cyclone - DE1-SoC Board
[3] Cyclone V SoC GSRD | Documentation | RocketBoards.org
[4] Nios® V 处理器 - 英特尔® FPGA (intel.cn)