如何利用FPGA部分可重配置特性實現(xiàn)PYNQ-PRIO經(jīng)典案例

PYNQ-PRIO是一個介紹如何利用FPGA部分可重配置特性和PYNQ框架提供的方便的API，對FPGA分時復(fù)用，提高FPGA靈活性的項目?？芍嘏渲檬侵冈谝粋€FPGA工程中，劃分了靜態(tài)邏輯部分和動態(tài)邏輯部分，靜態(tài)邏輯部分是指在運行過程中邏輯不變的部分，動態(tài)邏輯部分是指在運行過程中可以根據(jù)需要下載特定比特流文件實現(xiàn)不同邏輯的部分，在工作時，修改某一動態(tài)邏輯部分不會對靜態(tài)邏輯部分和其他動態(tài)邏輯部分造成影響，實現(xiàn)了FPGA的功能上的分時復(fù)用。

上圖為工程項目示意圖。通過軟硬件劃分，在PS端中負責Linux和通信，PL端例化了6個PR（Partitial Reconfiguration）塊。每個塊中有GPIO、uart和IIC等幾種不同的RM（Reconfiguration Module），它們通過各自的partitial bitstream下載。動態(tài)邏輯部分和靜態(tài)邏輯部分使用分離器保證它們互不影響，并在動態(tài)邏輯部分下載完成后對下載好的部分進行復(fù)位。

此項目中在PYNQ框架下有兩種驅(qū)動這些IP的方式：一是直接使用PYNQ提供的API操作overlay里面的IP，二是將這些IP通過DTS（Device Tress Source）注冊到linux sysfs中，然后調(diào)用linux提供的驅(qū)動。

快速開始

運行下面這條命令即可快速安裝：

sudo -H pip3 install git+https://github.com/Siudya/PYNQ-PRIO.git

項目演示

1 、 使用pynq API的方法：

打開~/prio/uart.ipynb，前面一段代碼是UART的驅(qū)動程序和必要的功能代碼，不是本文重點請讀者自己研讀。

接下來就是下載bit文件。首先下載靜態(tài)邏輯bit文件，靜態(tài)bit文件中的PR部分是默認的RM。然后下載PR的bit文件。注意，下載一個PR的bit文件后要立刻例化一個驅(qū)動實例，這是因為每個PR的bit文件所對應(yīng)的hwh文件中其他PR部分都使用默認RM，但是下載一個PR的bit文件并不會影響其他PR和靜態(tài)邏輯。

然后可以測試一下兩個UART的狀態(tài)，在這里我們并沒有開啟中斷。

下一步我們測試兩個串口的收發(fā)。用杜邦線將uart1的TX（Arduino的Pin 9）和uart3的RX（Arduino的Pin 34），uart1的RX（Arduino的Pin 8）和uart3的TX（Arduino的Pin 35）連接起來，運行這段代碼，可以看到信息被正確地收發(fā)了。

接下來我們試試含中斷的收發(fā)。首先仍然是例化實例，不過在這里我們要從overlay.interrupts_pins中讀取每個uart的中斷引腳，然后初始化uart實例。

利用asyncio庫和中斷，我們可以實現(xiàn)異步收發(fā)。

2 、使用linux sysfs API的方法:

打開~/prio_linux/uart_linux.pynb

首先和上面使用pynq的API的方法一樣，首先下載靜態(tài)邏輯的bit文件，再下載PR的bit文件。但是不同的是同時注冊了對應(yīng)的dtbo到linux系統(tǒng)中。dtbo由dtso編譯而來，dtso是描述設(shè)備樹的文件，關(guān)于它的編寫參閱以下鏈接：
https://www.raspberrypi.org/documentation/configuration/device-tree.md

注冊完成后可以直接在/dev下看到這兩個uart模塊。然后可以使用linux自帶的serial庫調(diào)用它們。

這個項目中我們利用了FPGA的部分可重構(gòu)的特性，實現(xiàn)了運行中的部分邏輯的動態(tài)轉(zhuǎn)換。另外我們可以看到利用PYNQ提供的API，可以輕松注冊設(shè)備到Linux系統(tǒng)，方便了其他程序?qū)ξ覀冏远xIP的使用。
編輯：hfy