基于89c54的遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)原理及實(shí)現(xiàn)方法

摘要： 提出了一種FPGA 遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)重構(gòu)的方法， 結(jié)合FPGA 動(dòng)態(tài)重構(gòu)技術(shù)和GSM 通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用GSM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)配置數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，在單片機(jī)控制下將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于CF 卡中。在內(nèi)嵌硬核微處理器PowerPC405 控制下，F(xiàn)PGA 通過(guò)內(nèi)部配置存取端口讀取CF 卡中新的配置數(shù)據(jù)， 對(duì)可重構(gòu)區(qū)進(jìn)行配置以實(shí)現(xiàn)新的功能。

隨著現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列的廣泛應(yīng)用， 對(duì)其進(jìn)行靈活的重新配置的研究也越來(lái)越多。目前絕大多數(shù)FPGA 都是基于查找表LUT （Look UP Table ） 的技術(shù)， 采用SRAM工藝生產(chǎn)。這種工藝的FPGA 有兩層結(jié)構(gòu)， 上層為配置存儲(chǔ)器， 下層是硬件邏輯層。通過(guò)上層配置信息控制硬件層門(mén)電路的通斷， 改變芯片內(nèi)基本邏輯塊的布線， 從而形成特定的功能。這種架構(gòu)為動(dòng)態(tài)重構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)提供了可能。一個(gè)FPGA 大型數(shù)字系統(tǒng)總是由很多功能模塊組合而成， 這樣各個(gè)系統(tǒng)模塊的激活狀態(tài)就可能在時(shí)間軸上產(chǎn)生分離， 時(shí)間上分離的模塊就可以共用一個(gè)硬件邏輯區(qū)， 根據(jù)需要對(duì)這個(gè)邏輯區(qū)動(dòng)態(tài)地改變配置， 實(shí)現(xiàn)不同的功能， 這就是局部動(dòng)態(tài)重構(gòu)[ 1]。FPGA 的動(dòng)態(tài)重構(gòu)使其應(yīng)用更加靈活， 減少了硬件的資源消耗， 縮短了開(kāi)發(fā)周期。但是對(duì)一些特殊場(chǎng)合， 如深海數(shù)據(jù)采集或機(jī)器人野外勘探， 開(kāi)發(fā)者可以為某個(gè)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)幾個(gè)功能， 設(shè)備在自主運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)需要選擇相應(yīng)的配置數(shù)據(jù)進(jìn)行配置。如果遇到特殊環(huán)境， 事先設(shè)計(jì)的功能有可能不適合工作要求， 需要增加新的功能。在目前硬件進(jìn)化技術(shù)還無(wú)法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的情況下， 本文設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)重構(gòu)的系統(tǒng)來(lái)解決上述問(wèn)題。

1 遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)有PowerPC 處理器和89C54 微控制器兩個(gè)核心。VirtexII -Pro FPGA 內(nèi)部集成有2 個(gè)PowerPC405 嵌入式處理器[2]， 本文系統(tǒng)使用其中一個(gè)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)重構(gòu)進(jìn)行控制和調(diào)配。FPGA 內(nèi)部用于對(duì)局部重構(gòu)區(qū)域PRR 進(jìn)行重新配置的硬件模塊有3 個(gè)， 分別是嵌入式內(nèi)核PowerPC、系統(tǒng)高級(jí)配置環(huán)境System ACE和內(nèi)部配置訪問(wèn)通道ICAP。System ACE 是一種在系統(tǒng)編程的高級(jí)配置解決方案， 它提供CF （Compact Flash ） 、MPU 和Test JTAG 等多個(gè)接口， 本系統(tǒng)采用CF 卡作為配置數(shù)據(jù)的來(lái)源， 可以更方便地改變和存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)。ICAP 的主要作用就是按照特定時(shí)序?qū)⑴渲脭?shù)據(jù)重新配置到PRR 中[3]。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)外接控制器89C54 完成， 一方面控制器要通過(guò)UART 接口接收GSM 模塊TC35 傳來(lái)的數(shù)據(jù)； 另一方面要把接收到的配置數(shù)據(jù)寫(xiě)入CF 卡中， 以供FPGA 系統(tǒng)讀取。

System ACE 和89C54 控制器共用CF 卡的控制接口。為避免互相影響， 本系使用多路復(fù)用器將CF 卡端口做分時(shí)復(fù)用處理， 即配置過(guò)程中與System ACE 連接，而數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)過(guò)程中與89C54 進(jìn)行連接。遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)重構(gòu)的本地準(zhǔn)備

以機(jī)械手臂的控制為例， 采用PID 控制、模糊控制:和備用三種控制方案， 每個(gè)控制算法經(jīng)過(guò)驗(yàn)證綜合生成獨(dú)立的bit 流模塊。這三個(gè)模塊共用一個(gè)可重構(gòu)的區(qū)域PRregion ， 根據(jù)具體情況， 選用最適合的算法模塊， 動(dòng)態(tài)地配置重構(gòu)區(qū)域來(lái)控制機(jī)械手臂， 其他靜態(tài)邏輯區(qū)域則仍然正常運(yùn)行。這樣不僅提高了系統(tǒng)的靈活性， 而且節(jié)省了配置時(shí)間、減少了不必要的消耗。FPGA 的設(shè)計(jì)流程一般包括設(shè)計(jì)、仿真、綜合、實(shí)現(xiàn)過(guò)程， 本文根據(jù)系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)提出如圖2 所示的設(shè)計(jì)流程。

FPGA 重構(gòu)系統(tǒng)綜合使用EDK（Embedded Development Kit） 、ISE和PlanAhead 多種工具平臺(tái)， 采用分層化設(shè)計(jì)，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。其過(guò)程如下：
(1) 利用嵌入式開(kāi)發(fā)工具EDK 設(shè)計(jì)一個(gè)基于PowerPC405的嵌入式控制系統(tǒng)[4]， 添加SystemACE_Compact-Flash 外設(shè)以支持從CF 卡配置FPGA； 添加IP 核opb_hwicap 以支持嵌入式內(nèi)核通過(guò)ICAP 讀取配置數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地配置FPGA。

(2)EDK 包含有軟件開(kāi)發(fā)工具SDK， 因此利用SDK對(duì)PowerPC405 進(jìn)行軟件編程和調(diào)試， 最終生成應(yīng)用程序二進(jìn)制executable.elf 文件； 利用EDK 外設(shè)創(chuàng)建向?qū)В?創(chuàng)建多個(gè)控制算法IP 模塊， 在各自的VHDL 文件中編寫(xiě)相應(yīng)的算法； 使用ISE 工具對(duì)多個(gè)算法模塊進(jìn)行綜合、創(chuàng)建頂層模塊、實(shí)例化嵌入式系統(tǒng)和算法模塊。綜合產(chǎn)生top 網(wǎng)表文件。

(3) 創(chuàng)建PlanAhead 工程， 使用以上產(chǎn)生的網(wǎng)表文件和約束文件進(jìn)行布局布線。其中最重要的是將算法模塊設(shè)置為可重構(gòu)模塊， 對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的區(qū)域約束[ 5]， 其約束代碼如下：
AREA_GROUP "AL_PRregion" RANGE = SLICE_ (minX)
(minY):SLICE_(maxX)(maxY)
AREA_GROUP "AL_PRregion" RANGE = RAMB16_
(minX)(minY):RAMB16(maxX)(maxY)

在PlanAhead 工具中可以通過(guò)可視化方法進(jìn)行區(qū)域約束， 既直觀又簡(jiǎn)單?？芍貥?gòu)模塊在運(yùn)行過(guò)程中如果需要實(shí)現(xiàn)不同的控制算法， 則需要在重構(gòu)區(qū)中添加所有算法模塊綜合生成的網(wǎng)表文件、使用PR Assemble 命令生成多個(gè)不同的算法bit 流文件。除了動(dòng)態(tài)bit 流文件外，PlanAhead 還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)完整的bit 流文件static_full.bit 。可執(zhí)行以下兩個(gè)命令生成ace 配置文件：
(1)data2mem -bm implementation/system_stub_bd -bt implementation/static_full.bit -bd TestApp/executable.elf tag
ppc310_0 – o b implementation/static.bit 。

(2)xmd -tcl genace.tcl -jprog -target ppc_hw -hw
implementation/static.bit -elf TestApp/executable.elf -board
ml310 -ace system.ace 。