手把手教你動(dòng)態(tài)編輯Xilinx FPGA內(nèi)LUT內(nèi)容

研究背景及基礎(chǔ)知識(shí)

FPGA是實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)的重要工具，得益于其高度的并行性與用戶可編程的特性，F(xiàn)PGA得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。FPGA由CLB（Configurable Logic Block，可編程邏輯單元）、BRAM（Block RAM，塊RAM）、DSP48E1（專用數(shù)字處理單元）、可編程布線資源、可編程IO資源等部分組成，其中，CLB是實(shí)現(xiàn)邏輯功能的基礎(chǔ)，Xilinx 7系列FPGA CLB內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1.1所示[1]。

從圖1.1中我們可以看到，一個(gè)CLB由兩個(gè)SLICE組成，而SLICE可以分為SLICEL和SLICEM，SLICEL僅可以實(shí)現(xiàn)邏輯功能，而SLICEM除了可以實(shí)現(xiàn)邏輯功能外，還可以實(shí)現(xiàn)位寬為1bit、深度為64bit的RAM， SLICEL和SLICEM的結(jié)構(gòu)如圖1.2和圖1.3所示[1]，SLICEL和SLICEM都是由4個(gè)6輸入LUT（Look up table，查找表）、3個(gè)MUX（數(shù)據(jù)選擇器）、1個(gè)Carry Chain（進(jìn)位鏈）和8個(gè)Flip-Flop（觸發(fā)器）組成，其中，LUT本質(zhì)是一塊6地址輸入1數(shù)據(jù)輸出的存儲(chǔ)器（不考慮5輸入LUT的情況），通過(guò)改變其內(nèi)容，可以得到各種各樣的真值表，也就得到了各種各樣的邏輯功能，這是FPGA可編程性的基礎(chǔ)之一。

比圖1.2和圖1.3可以發(fā)現(xiàn)，SLICEL的4個(gè)LUT，只有6bit地址輸入和1bit數(shù)據(jù)輸出（不考慮5輸入LUT的情況），當(dāng)bitstream文件配置下去后，用戶是無(wú)法對(duì)LUT內(nèi)容進(jìn)行更改的，可以將之看作是一塊ROM；而SLICEM除6bit讀地址輸入和1bit數(shù)據(jù)輸出外，還有6bit的寫(xiě)地址輸入（圖1.2中W6:W1）和1bit的寫(xiě)數(shù)據(jù)使能（圖1.2中WEN），2bit的寫(xiě)數(shù)據(jù)輸入（DI1和DI2），這也是SLICEM的LUT可以被配置為位寬為1bit、深度為64bit的RAM的原因。

研究目的

在7系列FPGA中，將近2/3的SLICE是SLICEL，其余的是SLICEM[1]，也就是說(shuō)，F(xiàn)PGA內(nèi)2/3的資源在bitstream文件下載后，其邏輯功能就無(wú)法更改了，除非修改代碼并生成新的bitstream文件。這給可重構(gòu)計(jì)算、基于LUT的高帶寬查找算法等研究帶來(lái)了很大的困擾：這些研究希望在設(shè)備運(yùn)行時(shí)對(duì)LUT的內(nèi)容進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改，而只有SLICEM的LUT存在寫(xiě)數(shù)據(jù)接口，也就是這些研究中的算法只能利用1/3的LUT資源。 作者在研究基于FPGA的高性能可重構(gòu)CRC算法時(shí)，就遇到了上述問(wèn)題，可編程CRC的關(guān)鍵計(jì)算模塊由LUT實(shí)現(xiàn)，而為了實(shí)現(xiàn)CRC生成式的可編程，必須要使用SLLICEM的LUT，導(dǎo)致時(shí)序不理想，且需要額外使用復(fù)雜的配置電路。 作者收到啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)使用Xilinx 提供的HWICAP IP核即可實(shí)現(xiàn)對(duì)SLICEL的LUT的動(dòng)態(tài)編程，無(wú)需Vivado軟件參與 ，即可實(shí)現(xiàn)ms乃至us級(jí)別的重配置速度[2][3]，該方案是基于FPGA實(shí)現(xiàn)高性能可重構(gòu)CRC的理想選擇。 然而，網(wǎng)上關(guān)于該研究的資料是十分稀缺的；Xilinx官方提供的內(nèi)容也十分分散且有限，部分內(nèi)容還被有意地忽略了；學(xué)術(shù)界的論文大多集中在如何設(shè)計(jì)高性能的ICAP控制器，以取代性能較低的HWICAP控制器。到目前為止，還無(wú)法找到關(guān)于如何使用HWICAP，實(shí)現(xiàn)單個(gè)LUT的內(nèi)容重配置的內(nèi)容。作者經(jīng)過(guò)1個(gè)多月的摸索，基本打通了單個(gè)LUT重配置的各個(gè)環(huán)節(jié)，最終基于Artix-7 FPGA開(kāi)發(fā)板，搭建了一套演示環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)LUT內(nèi)容的讀取與重配置，該項(xiàng)研究的各項(xiàng)內(nèi)容如下所述： 第二節(jié)介紹LUT的尋址與配置方式，只有知道LUT如何尋址，才能對(duì)特定位置的LUT進(jìn)行重配置；第三節(jié)介紹LUT的信息提取，包括LUT位置提取與LUT引腳映射關(guān)系提?。坏谒墓?jié)對(duì)rbt文件進(jìn)行解析（僅限于LUT內(nèi)容部分），只有了解LUT初始值是如何映射到rbt文件中，才能利用HWICAP實(shí)現(xiàn)LUT內(nèi)容的正確配置；第五節(jié)介紹HWICAP的具體操作，包括HWICAPIP核的操作與ICAP的操作命令；第六節(jié)搭建了驗(yàn)證系統(tǒng)，基于Artix-7FPGA開(kāi)發(fā)板，在Vivado環(huán)境下，使用TCL命令，實(shí)現(xiàn)單個(gè)LUT的重配置;第七節(jié)對(duì)上述工作進(jìn)行總結(jié)，指出后面的工作方向。

LUT尋址與配置方式

一、FPGA的基本結(jié)構(gòu)

想要對(duì)LUT進(jìn)行尋址，必須要知道LUT在FPGA中的組織方式，也就是知道FPGA的結(jié)構(gòu)，需要說(shuō)明的是，Xilinx 7系列FPGA與其前代產(chǎn)品相比，組成出現(xiàn)了較大的變化，在這里介紹Virtex-5 FPGA與Artix-7 FPGA的具體結(jié)構(gòu)。

Virtex-5系列FPGA和Artix-7系列FPGA都是基于ASMBL（AdvancedSilicon Modular Block）架構(gòu)的(但是Virtex-5基于二代ASMBL技術(shù)，Artix-7基于四代ASMBL技術(shù)) ，這里以7系列FPGA為例，對(duì)ASMBL架構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

圖1.1 ASMBL架構(gòu)

7系列FPGA ASMBL架構(gòu)如圖1.1所示，該架構(gòu)的關(guān)鍵在于，資源按列排布，同一列的資源是相同的，通過(guò)組合不同的列，可以得到面向各種應(yīng)用、滿足各種功能的FPGA，該架構(gòu)的模塊化思想，大大簡(jiǎn)化了FPGA的設(shè)計(jì)。我們來(lái)看一張真實(shí)的FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（器件型號(hào)為XC7A100T 該圖通過(guò)Vivado軟件得到），如圖1.2所示，該FPGA分為8個(gè)區(qū)域（8個(gè)Clock Region），圖中大量的淡藍(lán)色非規(guī)則部分，是已經(jīng)被占用的模塊，我們選擇比較“干凈”的X0Y3區(qū)域進(jìn)行介紹；

圖1.2 XC7A100T內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1.3 X0Y3區(qū)域結(jié)構(gòu)

X0Y3區(qū)域放大后的圖片如圖1.3所示，圖中最左側(cè)橘色部分為IO接口，藍(lán)色部分為CLB，紅色部分為BRAM資源（RAM36E1），綠色部分為DSP資源（DSP48E1），這樣的資源組織方式與前面說(shuō)的ASMBL架構(gòu)是完全吻合的。我們?cè)俅螌D2中的藍(lán)色方塊放大，如圖1.4所示，可以看到，每個(gè)藍(lán)色方塊內(nèi)部，都由2個(gè)SLICE組成。

圖1.4 CLB內(nèi)部結(jié)構(gòu)

作者肉眼數(shù)了一下，一列藍(lán)色方塊中，藍(lán)色方塊的數(shù)量是50個(gè)，也就是一列CLB中包含50個(gè)CLB（這個(gè)知識(shí)后面要用到）；一列紅色方塊中，紅色方塊的數(shù)量是10個(gè)，也就是一列BRAM中包含10個(gè)RAM36E1；一列綠色方塊中，紅色方塊的數(shù)量是20個(gè)，也就是一列DSP中包含20個(gè)DSP48E1；

圖1.5 FPGA中間部位的BUFG

需要特別注意的是，在FPGA的中間部分，是一組BUFG，如圖1.5所示（圖1.2放大，觀察FPGA正中央），在BUFG的上方，是FPGA的上半部分（top），F(xiàn)PGA的下方是下半部分（bottom），這個(gè)知識(shí)后面會(huì)用到，可能有人會(huì)有疑問(wèn)，圖1.2結(jié)構(gòu)如此對(duì)稱，上半部分和下半部分不是一目了然的么？但是我們需要知道，不是所有的FPGA都是四行兩列八個(gè)ClockRegion的，如圖1.6（芯片型號(hào)為XC7Z020），為三行了兩列六個(gè)Clock Region，這時(shí)只能通過(guò)觀察BUFG的位置（圖1.6中白框所在位置），判斷哪幾行是top部分，哪幾行是bottom部分。

圖1.6 XC7Z020內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1.7 XC5VLX110T所示

再來(lái)看一下Virtex-5FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖1.7所示，可以看到，Virtex-5FPGA的結(jié)構(gòu)與7系列FPGA很相似，都是模塊化的、按列排布的；我們重點(diǎn)關(guān)注一下CLB方面的區(qū)別，對(duì)比圖1.3和圖1.7可以發(fā)現(xiàn)，7系列FPGA一列CLB包含CLB的個(gè)數(shù)為50個(gè)，而Virtex-5FPGA一列CLB包含CLB的個(gè)數(shù)為20個(gè)，這種差別在后期介紹LUT尋址時(shí)會(huì)體現(xiàn)出來(lái)。

二、FPGA配置幀格式與尋址格式

FPGA配置數(shù)據(jù)的最小單位是幀，下面先以Virtex-5為例，介紹配置幀的格式與尋址方式；然后介紹7系列FPGA與Virtex-5在配置幀格式與尋址方式方面的區(qū)別。

1.Virtex-5 FPGA配置幀格式與尋址格式

Virtex-5配置幀格式如圖1.8所示，圖中共有36個(gè)幀，每個(gè)幀包含41個(gè)word，每個(gè)word由32bit組成，圖中“X odd”部分代表一個(gè)CLB中編號(hào)為奇數(shù)的SLICE，而“X even”代表編號(hào)為偶數(shù)的SLICE，也就是“X odd”代表圖1.4中右側(cè)的SLICE，“X odd”代表圖1.4中左側(cè)的SLICE；Frame26-Frame29和Frame32-Frame35已經(jīng)可以用來(lái)配置一個(gè)CLB內(nèi)的8個(gè)LUT了，為什么配置一個(gè)CLB需要36個(gè)幀呢？因?yàn)槌诵枰渲肔UT外，還需要配置觸發(fā)器、連接線等其他的部分，因?yàn)槲覀儍H需要研究LUT內(nèi)容是如何重配置的，因此我們不對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行研究；另外，想要配置一個(gè)LUT，使用1個(gè)幀是搞不定的，因?yàn)?個(gè)幀只能配置1個(gè)LUT的2個(gè)字節(jié)（6輸入LUT初始值為64bit，也就是8字節(jié)），需要4個(gè)幀才能配置一個(gè)LUT，但是，一個(gè)幀又同時(shí)涉及到了20個(gè)LUT的配置信息，也就是一個(gè)幀會(huì)對(duì)一列SLICE中的LUT進(jìn)行配置（前面提到過(guò)，Virtex-5一列CLB中，CLB數(shù)量是20），這也是為什么要使用RMW（read-modify-write）的思想，也就是想配置1個(gè)LUT，需要先把這個(gè)LUT對(duì)應(yīng)的4個(gè)幀讀出來(lái)，修改該LUT對(duì)應(yīng)的內(nèi)容后，再將這4個(gè)幀寫(xiě)回去，這樣才能保證其他的LUT不受影響。

圖1.8 Virtex-5配置幀格式

細(xì)心的讀者可以發(fā)現(xiàn)，圖1.8中一個(gè)配置幀包含41個(gè)word，而一列SLICE包含20個(gè)SLICE，2個(gè)word可以配置一個(gè)SLICE的4個(gè)LUT，怎么多出了一個(gè)word？答案在圖1.9中可以找到，一個(gè)配置幀的前20個(gè)word和后20個(gè)word都是用于配置LUT的，而中間的LUT用于其它功能，更多信息可以參考Xilinx官方文檔：UG191。

圖1.9一個(gè)配置幀的具體格式

圖1.10 Virtex-5 FPGA配置幀尋址格式

Virtex-5 FPGA配置幀的尋址格式如圖1.10所示，Virtex-5系列FPGA配置幀的地址由24bit組成，其中，bit23-bit21作用是指示配置對(duì)象的類型，如取值為000代表對(duì)CLB進(jìn)行配置；bit20作用是指示配置的對(duì)象在FPGA的上半部分還是下半部分（相關(guān)內(nèi)容參考圖1.5及圖1.6）；bit19-bit15是選擇行的，如圖1.2所示，該FPGA有4行，但是其編址方式是不是從上到下為0、1、2、3呢？

圖1.11行編址

當(dāng)然不是的，其編址方式如圖1.11所示，上半部分（top）和下半部分（bottom）是分開(kāi)編址的，接近中間的行，地址為1，遠(yuǎn)離中間的行，地址依次加1，舉個(gè)例子，圖2.2中X0Y2、X1Y2、X0Y3、X1Y3位于上半部分，X0Y2、X1Y2行地址為0，X0Y3、X1Y3行地址為1；圖2.2中X0Y0、X1Y0、X0Y1、X1Y1位于上半部分，X0Y1、X1Y1行地址為0，X0Y0、X1Y0行地址為1；bit14-bit7是列地址，需要注意的是，列地址是不分clock region的，比如圖2.2中X0Y2、X0Y3的第一列，地址是相同的，另外，CLB、BRAM、DSP等列是統(tǒng)一編址的，列地址可以利用Viavdo軟件，通過(guò)TCL命令提取出來(lái)；bit6-bit0是選擇具體某一幀的地址，由圖1.8可知，配置1個(gè)CLB（或者說(shuō)配置一列CLB），需要36個(gè)幀，但是在對(duì)LUT重配置的時(shí)候，并不是所有幀都要重新進(jìn)行RMW操作，只需要對(duì)與該LUT相關(guān)的四個(gè)幀進(jìn)行RMW操作即可，對(duì)36個(gè)幀中某一具體的幀進(jìn)行尋址，就需要用到minor address了。

2.7系列FPGA配置幀格式與尋址格式 7系列FPGA配置幀格式與圖1.8基本類似，但是由于7系列FPGA一列CLB由50個(gè)CLB組成（而Virtex-5為20個(gè)），因此一個(gè)7系列FPGA配置幀包含101個(gè)word； 7系列FPGA的配置幀的尋址格式如圖1.12所示，7系列FPGA的配置幀地址由26bit組成，與圖1.10比較之后，可以發(fā)現(xiàn)，7系列FPGA 列地址為10個(gè)bit，而Virtex-5FPGA列地址為8bit，這是由于FPGA規(guī)模變大所致；地址其他部分基本沒(méi)有發(fā)生變化。

圖1.12 7系列FPGA的配置幀格式

rbt文件解析

rbt文件和bit文件一樣，都是FPGA的配置文件，bit文件是二進(jìn)制的，觀察起來(lái)是很不方便的，然而rbt文件相當(dāng)于bit文件的ASCII版本因而我們選擇rbt文件作為我們解析的對(duì)象。

一、做rbt文件解析的原因 為什么要做rbt文件解析？因?yàn)樯瞎?jié)講述配置幀格式的研究中，還存在一個(gè)不清楚的地方：圖1.8中半個(gè)word可以配置1個(gè)LUT的1/4，那這半個(gè)word的bit順序，與Verilog代碼中LUT初始值的bit順序，是否是一致的？是否存在某種映射關(guān)系？為了探索這一點(diǎn)，我首先想到的是對(duì)rbt文件進(jìn)行解析，具體來(lái)說(shuō)，建立一個(gè)工程，對(duì)一個(gè)LUT進(jìn)行初始化，生成bit文件后，觀察rbt文件中相應(yīng)的初始化值是怎樣的。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行這項(xiàng)研究是十分必要的，研究結(jié)果表明，LUT的初始化值與rbt文件中對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，并不是相等的，二者存在特定的映射關(guān)系， 且SLICEL和SLICEM中的LUT，映射關(guān)系是不一樣的。下面對(duì)研究過(guò)程進(jìn)行介紹。

圖2.1 各種FPGA配置文件格式

二、準(zhǔn)備工作 rbt文件中的配置數(shù)據(jù)是二進(jìn)制格式的，觀察十分不方便，因此第一項(xiàng)準(zhǔn)備工作就是將二進(jìn)制的rbt文件轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制，這項(xiàng)工作是通過(guò)一個(gè)python腳本實(shí)現(xiàn)的（位置：代碼 bt_translation.py），如圖2.2所示，因?yàn)樽髡叽饲皼](méi)有寫(xiě)過(guò)python腳本，因此代碼很不完善，下面結(jié)合代碼說(shuō)明需要注意的地方： （1）rbt文件的前7行是rbt文件的介紹信息，如圖2.3所示，在用腳本轉(zhuǎn)換進(jìn)制之前，這7行需要手動(dòng)去掉（作者python水平太低）； （2）圖2.2第一行的NUM值為956447，這是rbt文件去除前7行后的行數(shù)；需要注意的是，本工程針對(duì)的FPGA型號(hào)是XC7A100T，每個(gè)型號(hào)的FPGA規(guī)模不同，NUM的值也要相應(yīng)變化； （3）圖2.2第三、四行為原始rbt文件的路徑（后綴改為txt）與轉(zhuǎn)換后文件的路徑，這個(gè)路徑是絕對(duì)路徑，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改。

圖2.2 rbt進(jìn)制轉(zhuǎn)換代碼

圖2.3 rbt文件介紹信息

在UG470中，專門有一部分介紹bitstream的組成，這部分需要重點(diǎn)了解，詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)UG470的table 5-19。

三、具體流程

首先建立一個(gè)工程，在工程中例化一個(gè)LUT，這個(gè)LUT的位置必須是固定的，方便進(jìn)行多次對(duì)照試驗(yàn)，如圖3.4所示，例化LUT的位置為SLICE_X57Y53的LUT-D，如圖2.4所示，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，該LUT的初始值設(shè)置為“0x6996966996696996”，為什么設(shè)置成這個(gè)值呢？因?yàn)長(zhǎng)UT初始值為該值時(shí)，作用為一個(gè)六輸入一輸出異或門，而異或門是CRC算法中的基本單元。

綜合工程（工程在：工程jtag_axi_icap_lut_AX7103_simple_lut_6996文件夾下），生成rbt文件后，將rbt文件轉(zhuǎn)成十六進(jìn)制（見(jiàn)上述準(zhǔn)備工作），結(jié)果如表2.1所示：

表2.1 rbt文件對(duì)應(yīng)行數(shù)和值-1

rbt文件行數(shù)	rbt文件值
510521	0x69960000
510622	0x 96690000
510723	0x 69960000
510824	0x 96690000

圖2.4 LUT初始化-1

觀察表2.1可以發(fā)現(xiàn)，rbt文件對(duì)應(yīng)值的行數(shù)，總是差了101個(gè)word，與之前描述的配置幀格式是可以對(duì)應(yīng)上的。那是不是可以說(shuō)Verilog代碼中LUT初始值的bit順序（圖2.4）和rbt中的bit順序，是一致的呢？還不能這么說(shuō)，因?yàn)椤?”的二進(jìn)制表示是“0110”，9的二進(jìn)制表示為“1001”，可以發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)值都是十分對(duì)稱的值。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證是否存在某種bit順序映射關(guān)系，建立新的工程。LUT位置不變，但初始化值設(shè)置為“0x0123456789ABCDEF”，如圖2.5所示，綜合工程（工程在：工程jtag_axi_icap_lut_AX7103_simple_lut_0123文件夾下），生成rbt文件后，將rbt文件轉(zhuǎn)成十六進(jìn)制（上述操作），結(jié)果如表2.2所示：

表3.2 rbt文件對(duì)應(yīng)行數(shù)和值-2

rbt文件行數(shù)	rbt文件值
510521	0x fe760000
510622	0x ba320000
510723	0x 98100000
510824	0x dc540000

圖2.5 LUT初始化-2

可以發(fā)現(xiàn)，rbt文件值與LUT初始化值完全不一樣，可以證明，確實(shí)存在某種特殊的映射關(guān)系。如何確定這種映射關(guān)系呢？最簡(jiǎn)單的是，建立多個(gè)工程，每個(gè)工程初始化值只有1bit（如0x0000000000000001、0x0000000000000002、0x0000000000000004、0x0000000000000008等），觀察生成rbt文件中對(duì)應(yīng)值的位置，理論上需要建立64個(gè)工程才能完全確定這個(gè)關(guān)系（但其實(shí)存在規(guī)律，不用這么多），成功破譯了其對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)試原始數(shù)據(jù)如表2.3所示（為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，將1個(gè)LUT的4部分?jǐn)?shù)據(jù)寫(xiě)到一起，作為一個(gè)完整的word,“X”代表0x0000）：

表2.3測(cè)試原始數(shù)據(jù)-1

LUT初始值	rbt數(shù)據(jù)
0x X_X_X_0001	0x 8000_X_X_X
0x X_X_X_0002	0x X_8000_X_X
0x X_X_X_0004	0x 4000_X_X_X
0x X_X_X_0008	0x X_4000_X_X
0x X_X_X_0010	0x 2000_X_X_X
0x X_X_X_0020	0x X_2000_X_X
0x X_X_X_0040	0x 1000_X_X_X
0x X_X_X_0080	0x X_1000_X_X
0x X_X_X_0100	0x X_X_X_8000
0x X_X_X_0200	0x X_X_8000_X
0x X_X_X_0400	0x X_X_X_4000
0x X_X_X_0800	0x X_X_4000_X
0x X_X_X_1000	0x X_X_X_2000
0x X_X_X_2000	0x X_X_2000_X
0x X_X_X_4000	0x X_X_X_1000
0x X_X_X_8000	0x X_X_1000_X
0x 0100_X_X_X	0x X_X_X_0008
0x 0200_X_X_X	0x X_X_0008_X
0x X_0100_X_X	0x X_X_X_0080
0x X_0200_X_X	0x X_X_0080_X
0x X_X_0100_X	0x X_X_X_0800
0x X_X_0200_X	0x X_X_0800_X
0x 0001_X_X_X	0x 0008_X_X_X
0x 0002_X_X_X	0x X_0008_X_X
0x X_0001_X_X	0x 0080_X_X_X
0x X_0002_X_X	0x X_0080_X_X
0x X_X_0001_X	0x 0800_X_X_X
0x X_X_0002_X	0x X_0800_X_X

將64bit初始值的最高位（MSB）定義為bit-64，最低位（LSB）定義為bit-1，則LUT初始值與rbt文件的位置映射關(guān)系如表2.4所示：

LUT初始值	rbt數(shù)據(jù)
1	64
2	48
3	63
4	47
5	62
6	46
7	61
8	45
9	16
10	32
11	15
12	31
13	14
14	30
15	13
16	29
57	4
58	20
41	8
42	24
25	12
26	28
49	52
50	36
33	56
34	40
17	60
18	44

觀察規(guī)律后，將該映射規(guī)律用python代碼（文件位置：代碼map_SliceL.py）表示出來(lái)，如圖2.6所示，

圖2.6對(duì)應(yīng)python代碼

后來(lái)又發(fā)現(xiàn)，SLICEL和SLICEM的LUT，從verilog代碼初始值到rbt文件值的映射關(guān)系還是不一樣的，上面是SLICEL的映射關(guān)系，SLICEM（位置是SLICE_X56Y53）的測(cè)試數(shù)據(jù)、映射關(guān)系、python代碼分別如表2.5、表2.6、圖2.7所示,表2.6中紅色字體，代表這幾組數(shù)據(jù)是推測(cè)得來(lái)的（后來(lái)證實(shí)推測(cè)正確）。

表2.5測(cè)試原始數(shù)據(jù)-1

LUT初始值	rbt數(shù)據(jù)
0x X_X_X_0001	0x X_X_8000_X
0x X_X_X_0002	0x X_X_X_8000
0x X_X_X_0004	0x X_X_4000_X
0x X_X_X_0008	0x X_X_X_4000
0x X_X_X_0010	0x X_X_2000_X
0x X_X_X_0020	0x X_X_X_2000
0x X_X_X_0040	0x X_X_1000_X
0x X_X_X_0080	0x X_X_X_1000
0x X_X_X_0100	0x 8000_X_X_X
0x X_X_X_0200	0x X_8000_X_X
0x 0100_X_X_X	0x 0008_X_X_X
0x 0200_X_X_X	0x X_0008_X_X
0x X_0100_X_X	0x 0080_X_X_X
0x X_0200_X_X	0x X_0080_X_X
0x X_X_0100_X	0x 0800_X_X_X
0x X_X_0200_X	0x X_0800_X_X
0x 0001_X_X_X	0x X_X_0008_X
0x 0002_X_X_X	0x X_X_X_0008
0x X_0001_X_X	0x X_X_0080_X
0x X_0002_X_X	0x X_X_X_0080
0x X_X_0001_X	0x X_X_0800_X
0x X_X_0002_X	0x X_X_X_0800

表2.6映射關(guān)系-1

LUT初始值	rbt數(shù)據(jù)
1	32
2	16
3	31
4	15
5	30
6	14
7	29
8	13
9	64
10	48
11	63
12	47
13	62
14	46
15	61
16	45
57	52
58	36
41	56
42	40
25	60
26	44
49	20
50	4
33	24
34	8
17	28
18	12

圖2.7對(duì)應(yīng)python代碼

上述關(guān)系推導(dǎo)出來(lái)之后，還是得不到表2.2的結(jié)果，理論上，初始化值映射后，結(jié)果應(yīng)如表2.7所示，經(jīng)過(guò)多次探索嘗試后，發(fā)現(xiàn)原因：Verilog代碼中例化的LUT與FPGA上LUT的管腳的映射關(guān)系是不同的，通過(guò)一個(gè)例子說(shuō)明，如圖2.8所示，Verilog代碼例化的LUT，初始化值“0x0123456789ABCDEF”，對(duì)應(yīng)的6位地址是I5-I0，但實(shí)際FPGA內(nèi)部的LUT如圖2.9所示，對(duì)應(yīng)的地址是A6-A1。

表2.7 rbt文件對(duì)應(yīng)行數(shù)和值-3

rbt文件行數(shù)	rbt文件值
510521	0x d8d80000
510622	0x ffaa0000
510723	0x 55000000
510824	0x d8d80000

圖2.8 Verilog代碼例化的LUT

圖2.9 FPGA內(nèi)實(shí)際的LUT

而Verilog代碼例化的LUT與實(shí)際的LUT，地址引腳的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2.10所示，二者又存在一種映射關(guān)系，發(fā)生這種情況的原因是，綜合工具Vivado會(huì)綜合考慮各種情況，選擇最優(yōu)的布線，為了達(dá)到這種最優(yōu)，允許一個(gè)LUT的地址線進(jìn)行某種翻轉(zhuǎn)。

圖2.10引腳對(duì)應(yīng)關(guān)系

為了支持上述的翻轉(zhuǎn)，作者寫(xiě)了一個(gè)簡(jiǎn)單的python腳本（目錄：代碼lut_pin_map.py），如圖3.11所示，假如數(shù)據(jù)m是Verilog代碼中的LUT初始化值，則n是映射到實(shí)際FPGA中的LUT初始化值。

圖2.11 LUT引腳映射代碼

四、總結(jié)

從Verilog代碼中的LUT初始值到rbt文件中的LUT初始值，遵循的流程如圖2.12所示，經(jīng)過(guò)兩次轉(zhuǎn)換后，Verilog代碼中的LUT初始值可以轉(zhuǎn)換為rbt文件中的LUT初始值。

圖2.12 LUT初始化值轉(zhuǎn)換流程

LUT信息提取

我們?nèi)绾沃来渲玫腖UT，其位置是多少？代碼中的LUT與實(shí)際的LUT引腳映射關(guān)系是怎樣的？當(dāng)然可以通過(guò)Verilog代碼中的位置約束（如BEL="D6LUT",LOC="SLICE_X57Y53"）和xdc文件中的引腳鎖定約束（如set_property LOCK_PINS {I0:A1 I1:A2 I2:A3 I3:A4 I4:A5 I5:A6}[get_cells u_xor_lut/LUT6_inst_D_right]），在生成rbt文件之前，人為地分配好一切，但是，這樣做可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)性能下降，因?yàn)閂ivado的綜合實(shí)現(xiàn)算法，是Xilinx公司多年研究的成果，可以認(rèn)為其是最優(yōu)的。因此，作者不建議通過(guò)添加位置約束和LUT引腳鎖定約束的方式，確定待配置LUT的信息，而是生成rbt文件之后，通過(guò)Vivado軟件和TCL命令，將LUT的位置信息和引腳約束信息提取出來(lái)。

圖1.1 Verilog代碼中的LUT例化

以圖1.1中例化的LUT為例，生成rbt文件后，

LUT位置信息提取命令是：

get_tiles-of_objects [get_property SITE [get_cells -hierarchical"*LUT6_inst_D_right*" ]]

得到的結(jié)果是：CLBLM_L_X34Y53

上述結(jié)果給出的是LUT所在CLB的位置，其中X的值（34）就是前文的圖1.12中的columnaddress，可以通過(guò)Y的地址，換算前文圖1.12中的top/bottom address和row address。

LUT引腳映射關(guān)系提取命令是：get_bel_pins-of_objects [get_pins -hierarchical "*LUT6_inst_D_right*"]

得到的結(jié)果是：

SLICE_X57Y53/D6LUT/O6

SLICE_X57Y53/D6LUT/A1

SLICE_X57Y53/D6LUT/A2

SLICE_X57Y53/D6LUT/A3

SLICE_X57Y53/D6LUT/A4

SLICE_X57Y53/D6LUT/A5

SLICE_X57Y53/D6LUT/A6

上述結(jié)果與前文圖2.10中的映射關(guān)系是一致的。

HWICAP操作方法

前面的工作解決了配置幀尋址與配置幀內(nèi)容怎么寫(xiě)的問(wèn)題，下面要開(kāi)始介紹ICAP原語(yǔ)和HWICAP IP核。ICAP原語(yǔ)是Xilinx公司開(kāi)放給用戶的FPGA內(nèi)部配置接口，如圖2.1所示，使用ICAP原語(yǔ)，需要寫(xiě)一個(gè)控制器，處理接口時(shí)序的問(wèn)題，Xilinx提供了這個(gè)控制器，就是HWICAP IP核，如圖2.2所示，這個(gè)IP核對(duì)外呈現(xiàn)AXI4-LiteSlave接口，使用者可以通過(guò)該接口，間接地操縱ICAP原語(yǔ)。

圖1.1 ICAP原語(yǔ)

圖2.2 HWICAP IP核

一、ICAP操作方法

ICAP操作方法主要參考UG953與UG470，尤其是UG470，第五節(jié)Configuration Details介紹了大量有用信息，需要重點(diǎn)關(guān)注的有：

（1）BitstreamComposition小節(jié)，介紹了bit文件/rbt文件的組成形式，可以從中看出一些配置流程相關(guān)的信息；

（2）ConfigurationMemory Frames 小節(jié)，與前文第一節(jié)介紹的幀格式是對(duì)應(yīng)的；

（3）ConfigurationPackets小節(jié)，介紹了ConfigurationPackets的細(xì)節(jié)，上面說(shuō)的ConfigurationMemory Frames主要是用于傳輸配置內(nèi)容（如LUT的初始化值），而Configuration Packets主要用于傳輸一些配置相關(guān)的指令，如讀寫(xiě)配置寄存器。ConfigurationPackets分為兩種，即Type 1packet和Type 2 packet，Type 2報(bào)文必須跟在Type 1報(bào)文后面，個(gè)人認(rèn)為Type 2報(bào)文的作用是對(duì)Type 1 報(bào)文進(jìn)行補(bǔ)充，因?yàn)門ype 1 報(bào)文word count字段僅有11bit，只支持2048個(gè)word傳輸，而Type 2報(bào)文word count字段有27bit，支持134217728個(gè)word，具體內(nèi)容請(qǐng)參考UG470 Table 5-20、Table 5-21、Table 5-22；

（4）ConfigurationRegisters小節(jié)，配置相關(guān)寄存器，如圖2.3所示，詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參考UG470 ConfigurationRegisters小節(jié)。

圖2.3 配置寄存器

從圖2.2可知，HWICAP IP核僅支持AXI4-Lite接口，也就是我們操作HWICAP IP核的時(shí)候，其實(shí)是在配置寄存器，那么該IP核有哪些寄存器呢？如圖2.4所示。

圖2.4 HWICAP IP核的寄存器

下面重點(diǎn)介紹幾個(gè)用到的寄存器。我們先分析一下我們將配置幀傳輸進(jìn)去，需要哪些操作。

寫(xiě)配置幀：（1）將幀寫(xiě)入FIFO（2）寫(xiě)完后開(kāi)始配置。

上面第一步，將幀寫(xiě)入FIFO，對(duì)應(yīng)的是WriteFIFO Keyhole Register（keyhole就是鑰匙孔，可以說(shuō)十分形象了），寄存器格式如圖2.5所示；第二步，開(kāi)始配置，對(duì)應(yīng)的寄存器是Control Register，該寄存器可以控制讀，也可以控制寫(xiě)，寄存器格式如圖2.6所示。

圖2.5 Write FIFO Keyhole Register

圖2.6 Control Register

讀配置幀：（1）告訴IP核讀幾幀（2）開(kāi)始讀。

第一步對(duì)應(yīng)的寄存器是Size Register，定義如圖2.7所示，第二步對(duì)應(yīng)的還是ControlRegister，如圖5.6所示。

圖2.7 Size Register

其他的寄存器也有各自的用處，建議讀者參考PG134，進(jìn)一步了解。

驗(yàn)證系統(tǒng)

前面做的大量調(diào)研與學(xué)習(xí)，目的是為了能夠做到對(duì)單個(gè)LUT的在線讀和寫(xiě)，如何證明我們前面做的工作是正確的呢？答案是建立一個(gè)驗(yàn)證系統(tǒng)，在實(shí)際的FPGA系統(tǒng)中，將FPGA內(nèi)部某個(gè)特定的LUT內(nèi)容在線讀出來(lái)，然后在線將某些內(nèi)容寫(xiě)進(jìn)去，如果可以成功做到這一點(diǎn)，可以說(shuō)研究工作基本成功了。下面我們來(lái)介紹驗(yàn)證系統(tǒng)搭建的詳細(xì)流程。

一、開(kāi)發(fā)板與連接拓補(bǔ)

開(kāi)發(fā)板連接拓?fù)淙鐖D3.1所示，F(xiàn)PGA開(kāi)發(fā)板型號(hào)為黑金AX7103，如圖3.2所示，讀者也可以用其他Xilinx FPGA板卡搭建驗(yàn)證系統(tǒng)（前文的知識(shí)適用于所有的7系列FPGA），但是Zynq系列暫時(shí)還無(wú)法調(diào)通，應(yīng)該是作者忽略了些什么；PC與FPGA通過(guò)JTAG連接，PC上運(yùn)行Vivado軟件，在Vivado TCL Console中輸入TCL命令，可以做到PC與FPGA的交互。

圖3.1驗(yàn)證環(huán)境拓?fù)?/span>

圖3.2 FPGA開(kāi)發(fā)板

二、FPGA內(nèi)部模塊設(shè)計(jì)

FPGA內(nèi)部模塊設(shè)計(jì)如圖3.3所示（工程位置：工程jtag_axi_icap_lut_AX7103_0123），JTAG2AXI IP核和HWICAP IP核負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)接收PC的控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)LUT內(nèi)容的讀寫(xiě)；目標(biāo)LUT是被讀寫(xiě)的對(duì)象，其Verilog例化如圖3.4所示。

讀LUT內(nèi)容怎么驗(yàn)證？

答案：在PC的Vivado軟件TCL Console內(nèi)，寫(xiě)TCL命令，讀取目標(biāo)LUT內(nèi)容，讀取內(nèi)容與rbt文件的相應(yīng)位置比對(duì)（參見(jiàn)前文表2.7，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們采用set_property LOCK_PINS{I0:A1 I1:A2 I2:A3 I3:A4 I4:A5 I5:A6} [get_cells u_xor_lut/LUT6_inst_D_right]命令，保證代碼例化LUT與真實(shí)LUT管腳一一對(duì)應(yīng)，避免出現(xiàn)圖2.10的情況）。

寫(xiě)LUT內(nèi)容怎么驗(yàn)證？

答案：在PC的Vivado軟件TCL Console內(nèi)，寫(xiě)TCL命令，配置目標(biāo)LUT內(nèi)容，配置完成后，觀察ILA。在配置之前，目標(biāo)LUT初始值是0x0123456789ABCDEF，計(jì)數(shù)器產(chǎn)生遞減的地址，因此可以用ILA觀察到變化的數(shù)據(jù)；配置內(nèi)容為全0，配置完成后，ILA觀察到的內(nèi)容為全0，證明配置成功。

圖3.3 FPGA內(nèi)部模塊設(shè)計(jì)

圖3.4 LUT例化

三、如何編寫(xiě)TCL代碼 學(xué)習(xí)TCL本身的語(yǔ)法，需要參考Xilinx官方文檔，UG835、UG894，熟悉TCL基本操作，另外，Xilinx高級(jí)SAE高亞軍老師的TCL系列教程寫(xiě)的也很好； 學(xué)習(xí)第5節(jié)HWICAP和ICAP的具體操作方法，可以參考Xilinx給的HWICAP官方驅(qū)動(dòng)（其中的example和src部分讓作者受益匪淺），作者也給出了讀寫(xiě)LUT需要的TCL代碼（位置：代碼讀LUT-TCL指令和代碼寫(xiě)LUT-TCL指令），作者寫(xiě)的這些代碼大量參考了Xilinx給的驅(qū)動(dòng)（可以從作者代碼的注釋中看出來(lái)），另外一定要注意，TCL文件里面的路徑是絕對(duì)路徑，要修改成自己電腦上的路徑。 四、驗(yàn)證結(jié)果

讀LUT內(nèi)容：

下載工程“jtag_axi_icap_lut_AX7103_0123”的bit程序（記得通過(guò)VIO復(fù)位，復(fù)位是低電平復(fù)位），運(yùn)行“read_frame_510521.tcl”文件，該文件讀取LUT的1/4的內(nèi)容，對(duì)應(yīng)rbt文件的510521行（見(jiàn)前文表2.7），讀出的結(jié)果如圖3.5所示（如果讀出的結(jié)果不能完全顯示出來(lái)，使用“set_param messaging.defaultLimit 5000”命令，修改TCLConsole顯示的消息數(shù)量限制），可以發(fā)現(xiàn)是對(duì)應(yīng)的（其他三行的讀操作可以運(yùn)行同目錄下的其他TCL文件，結(jié)果都是正確的）。

圖3.5讀結(jié)果

寫(xiě)LUT內(nèi)容

仍然是同樣的bit文件，在配置LUT內(nèi)容之前，ILA可以看到的數(shù)據(jù)如圖3.6所示，從上到下的三個(gè)信號(hào)，分別是LUT的輸入（地址），LUT的輸出，與LUT輸出的并行化（LUT輸出不方便觀察，并行化之后，方便觀察LUT初始值）；在Vivado TCL Console行“source_write_all.tcl”文件后（記得改地址?。。。?，LUT的內(nèi)容被重置為全0，如圖3.8所示，配置成功。

圖3.6配置前的LUT輸出

圖3.8配置全0后LUT的輸出

驗(yàn)證系統(tǒng)

獲得的成果：

基本打通了單個(gè)LUT動(dòng)態(tài)讀寫(xiě)的流程，包括LUT尋址、LUT配置幀格式、rbt文件解析（對(duì)照用）、LUT信息提取、LUT配置方法（HWICAP和ICAP操作）、演示驗(yàn)證系統(tǒng)搭建。

后期還需要做的工作：

（1）后期需要用嵌入式CPU實(shí)現(xiàn)對(duì)HWICAP IP核的操作，而不是PC，因?yàn)镻C+Vivado+TCL的方式效率太低了；作者對(duì)軟件開(kāi)發(fā)了解有限，需要一個(gè)精通軟件的人員，協(xié)助作者開(kāi)發(fā)上層軟件及應(yīng)用，比如開(kāi)發(fā)文獻(xiàn)中的配表系統(tǒng)；

（2）上述操作方法不適用于Zynq系列，原因未知，目前懷疑是某些操作不到位，Zynq系列的單個(gè)LUT動(dòng)態(tài)讀寫(xiě)，還需要進(jìn)一步研究。