采用模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于FPGA的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)功能

隨著可編程技術(shù)的不斷發(fā)展，FPGA被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。新的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法也被不斷的提出和應(yīng)用，如FPGA的動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)技術(shù)。所謂動(dòng)態(tài)重構(gòu)是指對(duì)于時(shí)序變化的數(shù)字邏輯系統(tǒng)，其時(shí)序邏輯的發(fā)生，不是通過(guò)調(diào)用芯片內(nèi)不同區(qū)域不同邏輯資源的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是通過(guò)對(duì)具有專門(mén)緩存邏輯資源的FPGA，進(jìn)行局部和全局芯片邏輯的動(dòng)態(tài)重構(gòu)而快速實(shí)現(xiàn)。動(dòng)態(tài)可重構(gòu)FPGA器件在編程結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有專門(mén)的特征，其內(nèi)部邏輯塊和內(nèi)連線的改變可以通過(guò)讀取不同的配置比特流文件來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯重建。動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)是指重新配置FPGA的部分區(qū)域，重構(gòu)過(guò)程中，F(xiàn)PGA其余部分的工作狀態(tài)不受影響。此方式減小了重構(gòu)范圍和單元數(shù)目，從而大大縮短了FPGA的重構(gòu)時(shí)間。

應(yīng)用FPGA動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)功能使硬件設(shè)計(jì)更加靈活，可用于硬件的遠(yuǎn)程升級(jí)、系統(tǒng)容錯(cuò)和演化硬件以及通信平臺(tái)設(shè)計(jì)等。動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)可以通過(guò)兩種方法實(shí)現(xiàn)：基于模塊化設(shè)計(jì)方法（Module-Based Partial Reconfiguration）和基于差別的設(shè)計(jì)方法（Difference-Based Partial Reconfiguration），本文以基于模塊化設(shè)計(jì)為例說(shuō)明實(shí)現(xiàn)部分重構(gòu)的方法。

1、 FPGA配置原理簡(jiǎn)介

本文針對(duì)Xilinx公司的FPGA進(jìn)行研究，支持模塊化動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)的器件族有Virtex/-II/-E和Virtex-II Pro。

Xilinx公司FPGA是基于SRAM工藝的，包括配置邏輯塊（CLBs），輸入輸出塊（IOBs），塊RAMs，時(shí)鐘資源和編程布線等資源。CLBs是構(gòu)造用戶所需邏輯的功能單元，IOBs提供封裝引腿與內(nèi)部信號(hào)引線的接口。可編程互連資源提供布線通道連接可配置元件的輸入和輸出到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。

存儲(chǔ)在內(nèi)部配置存儲(chǔ)器單元中的數(shù)值決定了FPGA實(shí)現(xiàn)的邏輯功能和互接方式。Virtex FPGA的配置存儲(chǔ)器是由配置列（Configuration Columns）組成的，這些配置列以垂直陣列的方式排列，如圖1給出了Virtex-E XCV600E器件的配置列構(gòu)成圖。配置存儲(chǔ)器可分為五種配置列：Center 列包含四個(gè)全局時(shí)鐘的配置信息；兩個(gè)IOB 列存儲(chǔ)位于器件左邊和右邊所有IOBs的配置信息；CLB列存儲(chǔ)FPGA基本邏輯功能的配置信息；Block SelectRAM Content列存儲(chǔ)內(nèi)部塊RAM的配置信息；Block SelectRAM Interconnect列存儲(chǔ)內(nèi)部塊RAM間互聯(lián)的配置信息［3］。

圖1 Virtex-E XCV600E的配置列構(gòu)成及地址

配置列根據(jù)分配給它的配置地址（Configuration Address）來(lái)尋址。每一個(gè)配置列在FPGA內(nèi)都有唯一的主地址（Major Address）空間。

FPGA的邏輯功能通過(guò)配置比特流（Configuration Bitstream）來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)功能來(lái)說(shuō)，需重構(gòu)的配置邏輯是通過(guò)下載不同的部分配置比特流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2、基于模塊化動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)FPGA的設(shè)計(jì)方法

所謂的FPGA模塊化設(shè)計(jì)就是將系統(tǒng)按照一定規(guī)則劃分成若干模塊，然后對(duì)每個(gè)模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)、綜合，并將實(shí)現(xiàn)結(jié)果約束在預(yù)先設(shè)置好的區(qū)域內(nèi)，最后將所有模塊的實(shí)現(xiàn)結(jié)果有機(jī)的組織起來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［4］。其劃分模塊的基本原則為：子模塊功能相對(duì)獨(dú)立，模塊內(nèi)部聯(lián)系盡量緊密，模塊間的連接盡量簡(jiǎn)單。對(duì)于那些難以滿足模塊劃分準(zhǔn)則的具有強(qiáng)內(nèi)部關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)，不適合采用此設(shè)計(jì)方法。

FPGA模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：團(tuán)隊(duì)式并行工作從而加速整個(gè)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)進(jìn)度；每個(gè)子模塊都能夠靈活使用綜合和實(shí)現(xiàn)工具獨(dú)立進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到更好的優(yōu)化結(jié)果；調(diào)試、更改某個(gè)子模塊時(shí)，不會(huì)影響其他模塊的實(shí)現(xiàn)結(jié)果，保證了整個(gè)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性與可靠性。

模塊化設(shè)計(jì)方法使用Xilinx公司的ISE軟件設(shè)計(jì)工具，常用HDL語(yǔ)言作為設(shè)計(jì)輸入，頂層模塊描述設(shè)計(jì)的全局邏輯，包括設(shè)計(jì)的輸入/輸出、所有子模塊的黑盒子（Black Box）聲明以及子模塊之間的連接關(guān)系。所謂黑盒子聲明是指在頂層模塊中僅僅對(duì)子模塊進(jìn)行端口描述與信號(hào)屬性聲明，并不包含任何實(shí)際邏輯和時(shí)序關(guān)系的描述。子模塊通常也使用HDL語(yǔ)言描述，分別設(shè)計(jì)出各子模塊的邏輯實(shí)體并綜合所設(shè)計(jì)的子模塊。由于子模塊的輸入/輸出并不是整個(gè)設(shè)計(jì)的外部接口，所以在綜合過(guò)程中應(yīng)禁止子模塊插入I/O端口，而僅在綜合頂層模塊時(shí)才插入I/O端口。最后將所有子模塊的實(shí)現(xiàn)結(jié)果和頂層的實(shí)現(xiàn)結(jié)果有機(jī)地組織起立，完成整個(gè)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。圖2是基于模塊化設(shè)計(jì)方法的流程。

采用模塊化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)FPGA的動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)，首先進(jìn)行模塊劃分，將設(shè)計(jì)的固定邏輯即運(yùn)行過(guò)程中不需要更改的邏輯劃分到固定模塊，將需要更改的部分劃分到可重構(gòu)模塊中。其次模塊的放置位置和大小也有限制，必須遵循一定的規(guī)則［5］：可重構(gòu)模塊的高度和器件的高度一致，從圖1中可以直觀地認(rèn)為模塊必須包含整個(gè)配置列；可重構(gòu)模塊的寬度最小是4個(gè)Slice（一個(gè)CLB包含兩個(gè)完全相同的Slice），并且必須為4個(gè)Slice的倍數(shù)；如果可重構(gòu)模塊位于器件的最左邊或是最右邊的Slice列，則所有位于器件邊緣的IOBs將作為可重構(gòu)模塊的資源；為了減少設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，可重構(gòu)模塊的數(shù)量應(yīng)該盡量少等。

圖2 模塊化設(shè)計(jì)流程

3 、FPGA動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

在本設(shè)計(jì)實(shí)例中，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)外圍接口電路進(jìn)行邏輯控制以及根據(jù)外圍不同設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理算法。據(jù)此將設(shè)計(jì)劃分為固定模塊和可重構(gòu)模塊，其中固定模塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)外接口的控制邏輯，可重構(gòu)模塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理算法。本例中只將FPGA的邏輯功能更換一次，即可重構(gòu)模塊只部分重構(gòu)一次，將其在重構(gòu)前后的不同邏輯功能分別計(jì)作reconfig_a和reconfig_b。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)部分重構(gòu)FPGA，為不同的數(shù)據(jù)源選擇適合的處理方法。本設(shè)計(jì)由Virtex-E XCV600E器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)模塊所需資源的大小和模塊劃分原則，在用戶約束文件（UCF）中將每個(gè)模塊的位置進(jìn)行約束，如下所示：

INST “fix” AREA_GROUP = “AG_fix” ；（1）

AREA_GROUP “AG_fix” RANGE = CLB_R1C1:CLB_R48C36 ；（2）

INST “reconfig” AREA_GROUP = “AG_reconfig” ； （3）

AREA_GROUP “AG_reconfig” RANGE = CLB_R1C37:CLB_R48C72 ；（4）

其中（2）、（4）指定了兩個(gè)模塊的具體位置。

按照模塊化設(shè)計(jì)流程，分別對(duì)固定模塊fix和可重構(gòu)模塊reconfig_a和reconfig_b進(jìn)行設(shè)計(jì)綜合，再將兩個(gè)可重構(gòu)模塊分別和固定模塊進(jìn)行組合，完成整體設(shè)計(jì)。此過(guò)程中可重構(gòu)模塊和FPGA的整個(gè)設(shè)計(jì)分別生成配置比特流。

圖3和圖4是FPGA部分重構(gòu)前后的整個(gè)設(shè)計(jì)的物理實(shí)現(xiàn)，圖中左半部分為固定模塊區(qū)域，右半部分為可重構(gòu)模塊區(qū)域。從兩圖中可知在部分重構(gòu)前后可重構(gòu)模塊區(qū)域內(nèi)布線發(fā)生變化，而固定模塊區(qū)域內(nèi)布線沒(méi)有發(fā)生變化。

圖3 fix和reconfig_a整體設(shè)計(jì)的物理實(shí)現(xiàn)結(jié)果

圖4 fix和reconfig_b整體設(shè)計(jì)的物理實(shí)現(xiàn)結(jié)果

FPGA動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)時(shí)首先須將整個(gè)配置文件下載到器件中，重構(gòu)時(shí)系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行的需要選擇適合的部分重構(gòu)配置比特流。Virtex-E XCV600E配置比特流的大小為495204個(gè)字節(jié)，而可重構(gòu)模塊reconfig_a和reconfig_b配置比特流的大小分別為93324個(gè)字節(jié)和111868個(gè)字節(jié)，因此采用部分重構(gòu)不僅能夠在運(yùn)行不間斷的情況下更新可重構(gòu)模塊區(qū)域內(nèi)的邏輯功能，而且也能使重構(gòu)配置時(shí)間大大減少。

3、 結(jié)論

本文以Xilinx FPGA為研究對(duì)象，介紹了采用模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)FPGA動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)功能的方法。FPGA的動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)功能使硬件設(shè)計(jì)更加靈活，可以將不同設(shè)計(jì)定位到芯片內(nèi)同一邏輯資源部分，重構(gòu)此部分邏輯資源，同時(shí)保持其他部分電路功能正常，從而靈活快速的改變系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠減少器件的花費(fèi)，降低功耗、更有效的利用電路板空間，可以應(yīng)用于系統(tǒng)實(shí)時(shí)容錯(cuò)、自適應(yīng)硬件算法等。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：基于FPGA動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)將設(shè)計(jì)從一個(gè)純空間的數(shù)字邏輯系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為在時(shí)間、空間混合構(gòu)建的數(shù)字邏輯系統(tǒng)。這種技術(shù)是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)思想的變革，使FPGA資源利用率成倍提高。目前我國(guó)在FPGA可重構(gòu)技術(shù)方面開(kāi)展的研究很少。本論文闡述了采用模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)FPGA動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)的方法，能夠使FPGA部分邏輯功能重新配置過(guò)程中，其余部分邏輯功能正常運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)了FPGA邏輯功能的動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)。

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