（计算机应用技术专业论文）基于fpga的动态局部可重构系统研究.pdf

1 1 11 1 11 1 1 111i i ii i itlll y 17 3 8 0 8 3 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和 一相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的 研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过 重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 关风艳 学位论文使用授权说明 年6 只z 黾 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文储虢象风狍新繇翅州6 年6 月日 基于f p g a 的动态局部可重构系统研究 摘要 可重构技术是一种全新的数字电路设计模式，既保留了硬件计算速度 快、效率高的优点，又兼具了软件灵活、开发周期短和易维护的特点，成 为了目前计算系统领域的研究热点。动态局部可重构即在系统运行的过程 中，系统的一部分按照预定义的方式功能改变，其它的部分正常运行。该 技术具有提高资源利用率、缩短重构时间和提高系统可靠性的优点是 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 发展的方向之一。随着f p g a 的集成 度提高，嵌入硬核的种类和数量的增加为片上系统的发展提供了一个廉价 的平台。 本文研究的重点是在硬件平台m l 4 0 3 开发板的基础上设计与实现动 态局部可重构系统和具有动态局部自重构功能的可编程片上系统( s y s t e m o i lp r o g r a m m a b l ec h i p ，s o p c ) ，并对局部重构系统的资源利用情况、重构 区域划分和重构时间进行分析，并提出了一些指导性意见。 本文主要完成的工作内容包括：根据芯片重构原理，选取了用于动态 局部可重构系统的开发平台；设计了基于f p g a 的动态局部可重构系统， 并使用v e r i l o g 语言编程实现，最后在m l 4 0 3 开发板上实现，讨论了资源 利用率、配置文件大小和重构区域划分的问题；研究了x i l i n x 公司的3 2 位硬核处理器p o w e rp c 的软硬件开发，以及基于此的s o p c 嵌入式系统 开发；初步实现了基于s o p c 的动态局部自重构系统，利用软件e d k 、i s e 和p l a n a h e a d 完成了整个自重构系统的硬件和软件的开发，并对自重构系 统的重构区域划分进行分析。 关键词：动态局部可重构动态局部自重构模块化设计e a r l y a c c e s s 局部重构可编程片上系统可编程逻辑器件 t h ed y n a m i cp ! a r t i a lr e c o n f i g u r a b l e s y s t e mb a s e do nf p g a a b s t r a c t r e c o n f i g u r a b l et e c h n o l o g yi san e wp a r e r no fd i g i t a lc i r c u i td e s i g n ，i th a s n o to n l yt h ea d v a n t a g e so f c o m p u t i n gs p e e d a n dh i g he f f i c i e n c yt h es a m ea so n h a r d w a r e ，b u ta l s oh a st h ea d v a n t a g e so ff l e x i b i l i t y , s h o r t - t e r mc y c l e sa n de a s y t om a i n t a i na ss o f t w a r e s ot h i st e c h n o l o g yb e c o m e sar e s e a r c hf o c u si nt h e c u r r e n tc a l c u l a t i n gs y s t e mf i e l d d y n a m i cp a r t i a lr e c o n f i g u r a t i o n ，a l s ok n o w n a sa c t i v ep a r t i a lr e c o n f i g u r a t i o n ，p e r m i t st oc h a n g eap o r t i o no ft h ed e v i c e w h i l et h er e s tp a r ti ss t i l lr u n n i n g d y n a m i cp a r t i a lr e c o n f i g u r a t i o ni sc a r r i e d o u tt oa l l o wt h ef p g at oa d a p tt oc h a n g i n gh a r d w a r ea l g o r i t h m s ，i m p r o v e f a u l tt o l e r a n c ea n dr e s o u r c eu t i l i z a t i o n ，t oe n h a n c ep e r f o r m a n c eo rt or e d u c e p o w e rc o n s u m p t i o n w t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e g r a t i o n ，t h en u m b e ra n dt h e s p e c i e so f h a r dc o r e sa r ei n c r e a s e d ，w h i c hp r o v i d ei n e x p e n s i v ep l a t f o r mf o rt h e t e c h n o l o g yo fs o p c t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ho f d y n a m i cp a r t i a lr e c o n f i g u r a t i o na n d s e l f - r e c o n f i g u r a b l es y s t e mb a s e do nm l 4 0 3d e v e l o p m e n tb o a r d t h em a i nt a s k sa r es h o w na sf o l l o w ：t h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so f d y n a m i cp a r t i a lr e c o n f i g u r a t i o ni si n t r o d u c e da sw e l la st h ea r c h i t e c t u r eo f r e c o n f i g u r a b l ec h i p s ； p a r t i a lm f i g u r a b l ebasedrecontl r a b l ec h i p sad y n a m i cp a r t i a r e c o n f i m a r a b l es y s t e mb a s e do ni s d e s i g n e d ，t h e n ，d o w n l o a d e dt h eb i t s t r e a m so nm l 4 0 3d e v e l o p m e n tb o a r d ；t h e d e s i g nf l o wo fs o p ce m b e d d e ds y s t e mb a s e do n3 2 - - b i t sh a r d c o r ep r o c e s s o r p o w e rp co fx i l i n xi sp r e s e n t e d ，i n c l u d i n gb o t ht h ed e s i g no fh a r d w a r ea n d s o f t w a r e ；t h es e l f - r e c o n f i g u r a b l es y s t e mb a s e do ns o p ci s i m p l e m e n t e d t h r o u g ha n a l y s i so ft h er e s u l t so ft h er e c o n f i g u r a b l es y s t e m ，t h ep a p e rh a s k e yw o r d s ：d y n a m i cp a r t i a l r e c o n f i g u r a t i o n ( d p r ) ；d y n a m i cp a r t i a l s e l f r e c o n f i g u r a t i o n ；m o d u l a rd e s i g n ；e a r l ya c c e s sp a r t i a lr e c o n f i g u r a t i o n ( e a p r ) ；s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ( s o p c ) ；f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ( f p g a ) 第一章绪论 1 1 引言l 1 2 课题来源及研究意义2 1 3 国内外研究现状3 1 4 论文研究内容及结构安排4 1 4 1 论文研究的内容4 1 4 2 全文结构安排5 第二章可重构系统简介6 2 1 可重构f p g a 结构和配置原理6 2 1 1x i l i n xf p g a 的芯片结构6 2 1 2v i r t e x 动态配置原理8 2 2 可重构的分类1 0 2 3 动态局部可重构实现方法1 2 2 3 1 基于差异的动态局部可重构1 2 2 3 2 基于j b i t s 的动态局部可重构。1 2 2 3 3 基于模块的动态局部可重构l3 2 4 本章小结1 4 第三章动态局部可重构系统实现。1 5 3 1 主要设计的内容1 5 3 2 系统开发平台1 5 3 3 计数器基本原理介绍1 6 3 3 1 能自启动的约翰逊计数器1 6 3 3 2 格雷码计数器17 3 4e a r l ya c c e s s 设计方法。18 3 4 1e a p r 结构图18 3 4 2 基于查找表的总线宏18 3 4 3 设计优点19 3 4 4 系统设计1 9 3 5 本章小结2 4 v 一 录 目 一 凹要姒s；摘觚 第四章基于s o p c 的动态局部自重构系统2 5 4 1 设计内容介绍2 5 4 2s o p c 技术介绍一2 5 4 3 系统的主要组成模块2 6 4 3 1 硬核处理器p o w e r p c 4 0 5 2 6 4 3 2 三种总线2 7 4 3 3 自配置模块h w i c a p 2 8 4 3 4 存储器控制器2 8 4 3 5 增强型数字时钟管理单元( d c ma d v ) 2 9 4 4 系统硬软件设计3 0 4 4 1 硬件设计3 0 4 4 2 软件设计3 2 4 5 设计流程3 3 4 6 本章小结3 6 第五章结果与分析3 7 5 1 资源利用率的研究3 7 5 2 重构区域划分的研究3 9 5 2 1 动态局部可重构系统重构区域划分3 9 5 2 2 动态局部自重构系统重构区域划分4 1 5 3 配置文件和配置时间的研究4 2 5 3 1 动态局部可重构系统配置文件和配置时间4 2 5 3 2 动态局部自重构系统配置文件和配置时间4 2 5 4 本章小结4 4 第六章总结与展望。4 5 6 1 论文工作总结4 5 6 2 未来工作展望4 5 参考文献。4 7 l f 争录5 l 致谢 攻读硕士学位期间已发表、录用论文及参与科研项目情况。5 4 广西大学硕士学位论文基于f p g a 的动态局部可 构系统研究 1 1 引言 第一章绪论 自1 9 8 5 年x i l i n x 推出了第一款f p g a 产品x c 2 0 4 6 t m 至今，f p g a 已经历了十 几年的发展历史。在这十几年的发展过程中，以f p g a 为代表的数字系统现场集成技 术取得了惊人的发展：现场可编程逻辑器件从最初的1 2 0 0 个可利用门，发展到9 0 年 代的2 5 万个可利用门。现在，国际上现场可编程逻辑器件的著名厂商a l t e r a 公司和 x i l i n x 公司又陆续推出了千万门的单片f p g a 芯片，生产工艺尺寸由原来的1 3 0 n m ， 发展到9 0 n m ，6 5 n m ，4 0 n m ，现场可编程器件的集成度不断提高。f p g a 生产厂商不断 推出新器件和开发工具，力求芯片的速度更高、功耗更低。 纵观现场可编程逻辑器件的发展历史，其之所以具有巨大的市场吸引力，根本原 因在于：f p g a 不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开 发周期短、开发软件投入少、芯片价格降低。因此f p g a 越来越多地取代了a s i c 的 市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，使f p g a 成为首选。 目前，f p g a 主要有三大应用领域：数字处理中的信号变换、高速交换中的数据 收发以及求解中的复杂计算。未来f p g a 的发展方向主要有如下几个方面【1 】： ( 1 ) 由于便携式设备需求的增长和生产工艺的发展，芯片朝着高密度、低压、低功 耗方向发展川； ( 2 ) 为了增强市场竞争力，各大公司积极推广和扩充知识产权( i p ) 库，以优化的资 源满足用户的要求1 2 j ( 3 ) 动态可重构技术更趋于成熟和实用； ( 4 ) 系统设计进入“可编程片上系统”的时代。 传统的采用现场可编程门阵歹u ( f p g a ) 设计的数字逻辑系统，逻辑功能全部累加， 这种设计方法产生了一些问题： ( 1 ) 随着f p g a 门电路总数增加，内部布线连接数目几乎成平方增长1 2 】； ( 2 ) 随着容量的增加，布线的复杂度增加，f p g a 的损坏率也随之增j i t 2 j ； ( 3 ) 随着系统规模的增大，单片资源的利用率下降、功耗提高。 对于数字时序系统，从时间轴上来看，在其工作时系统的各个部分并不是时刻都 在工作，系统的各个局部模块可以时分复用系统资源，因此动态局部可重构( d p r ) 的概念被提出。所谓的动态局部可重构是指允许可重构器件或系统的一部分进行重新 配置，配置过程中其余部分可以不受影响继续工作。动态局部可重构具有时间上的动 广西大学硕士掌位论文基于f p g a 的动态局部可h 勺系统研究 态连续性，配置数据的规模大大减小的特点，所以可以节省配置时间，减小系统设计 尺寸，提高资源利用率。 基于动态局部可重构可重构系统既具有硬件的高速处理能力又具有软件的灵活 性，因此在可重构计算，软件无线电，高速数字滤波器，图像处理，小波变换等方面 具有广泛的应用前景。 1 2 课题来源及研究意义 本课题来源于广西自然科学基金项目“基于s o p c 的嵌入式系统设计中电路重 构技术研究”( 桂科自0 7 2 8 0 3 6 ) 和广西研究生教育创新计划资助项目“基于v i r t e x 4 的局部动态可重构系统研究”( 1 0 5 9 3 0 9 0 3 0 9 5 ) 。本论文主要研究基于f p g a 的动态 局部可重构和基于s o p c 的自重构系统设计与实现，以及对系统性能的分析。 动态局部可重构是f p g a 设计中一种全新的数字电路设计理念，使得数字电路 系统设计从追求高密度、大规模的方向，转向提高芯片内的资源复用率、减小设计 尺寸的方向1 7 j 。动态局部可重构技术对提高电子信息系统的实时性，自适应能力、 容错性、可靠性、提高单芯片的利用率具有重要的理论意义和实用价值。动态局部 可重构技术的优势主要体现在如下方面： ( 1 ) 资源利用率提高 硬件资源利用率是可重构逻辑器件的计算任务密度，即配置在可重构逻辑器件上 的计算任务占用的逻辑资源量与可重构逻辑器件的全部逻辑资源量之比【引。动态局部 可重构技术实现了可重构器件资源的时分复用，利用有限的资源实现了更复杂的系统 功能，提高了资源利用率、减小了设计尺寸。 ( 2 ) 重构时间缩短 系统配置时间与配置数据流的大小成正比，动态局部可重构技术可以只对特定区 域进行重新配置，减少了配置数据流，缩短了重构时间。 ( 3 ) 可靠性提高 可重构计算系统可以在容错方面提高系统的可靠性。动态局部可重构技术能够将 系统中出现硬件损坏的区域加以隔离【9 】，然后对器件上其余部分的逻辑资源进行配置， 完成隔离区域相应的计算任务。这样系统就具有较高的可靠性。 动态局部可重构技术与片上可编程系统s o p c 技术的融合构成的动态局部自重构 系统相比传统的动态局部可重构系统具有更好的灵活性，不仅可以使控制单元与重构 区域的耦合更紧密，通信更加快速，而且可以使系统脱离下载线的限制，方便地实现 远程升级和在线升级，是动态局部可重构系统的发展方向之一。 2 广西大掌硕士学位论文基于f p g a 的动态局部可， 构系统研究 1 3 国内外研究现状 动态局部可重构技术兼有软件的灵活性和硬件的高效性，是数字电路系统设计思 想的变革。国外对于该技术的研究起步早，应用广泛，该技术的应用主要集中在如下 几个领域l 1 j ： ( 1 ) 可重构计算 可重构计算既保证的系统的性能，又增加了系统的灵活性，是计算机系统发展的 趋势。可重构计算是一种新的体系结构，主要思想是利用可编程逻辑芯片( 如f p g a ) 的可重构特性，实时分配硬件资源，构造硬件功能模块来完成计算任务【1 1 。 可重构计算技术结合半导体的进步，将硬件变成是可“编译”的，在可编程的介质 中提供更大的计算能力和密度，能在单片系统上以低的硬件复杂度适应各种类型的应 用，适应完成各种各样新的任务，适应现代数字电路系统设计周期短和变化更新快的 要求【l o l 。 可重构计算由于其高速与灵活兼具的优点而具有广泛的应用前景，这类应用主要 面向计算密集型领域，如目标识别【5 1 、模式匹配【6 1 、数据加密【7 1 、高速滤波器【4 1 、图像 处理f 3 】等。 ( 2 ) 进化硬件( e v o l v a b l eh a r d w a r e ) 进化硬件将进化算法和可编程逻辑器件结合起来，动态可重构电路的配置由进化 进程决定，使得新的电路配置像生物一样自动适应环境的变化，用来实现高适应性、 高可靠性的硬件系统。 进化硬件利用f p g a 的在线可编程技术( i n 。s y s t e mp r o g r a m m i n g ，i s p ) 及动态重 构技术，在系统环境发生变化时，或被放置于未知的环境中时，将f p g a 的配置信息 作为染色体，用设计拟合方式来描述电路，通过遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 对其进行反复的适应度计算、交叉和变异，最终进化出符合环境要求的个体( 即电路 配置) ，由此可以产生超出现有模型、技术水平或设计者能力的新颖电路，从而使电路 适合环境的变化【2 】。可进化硬件会自动地改变内部结构，使之经常处于最适合状态， 快速高效地完成规定的任务【1 5 】。 进化硬件可以使电子系统运行在一些人力所不能到达或因条件危险而无法到达的 场合，如空间站、月球探测卫星、航天器等。 ( 3 ) 软件无线电 软件无线电技术将模块化、标准化的硬件单元以开放的形式连接起来，形成可重 配置的多标准通用硬件平台，让无线单元具有软件重构的类似功能【5 0 1 。在软件无线电 应用中，基于f p g a 的系统在不同时间分别作为发射机和接收机工作，f p g a 在发射 模式下能够实现数据压缩，在接收模式下解压。 3 基于i 、p g a 的动态局部可重构系统研究 软件无线电技术具有结构的开放性、软件的可编程性、硬件的可重构性以及功能 和频段的多样性等特点，无论在军事还是在商用通信中都有着巨大的应用潜力，它可 使通信系统具有良好的灵活性及可扩展性。 ( 4 ) 主动式数字容错系统 现代的数字电路系统规模增大，结构复杂，系统的可靠性日益收到人们的关注。 在系统中采用容错技术可以在系统发生故障时，能够依靠系统内的可重构硬件在芯片 内实现多次不同的布局布线，以实现系统故障的纠正，从而保持系统的工作性能【9 1 。 国内对于动态局部可重构系统的研究才刚刚起步，相比欧美要落后很多，国内的 研究主要在几个高等院校中，包括电子科技大学、复旦大学、中国科学院研究生院、 浙江大学和哈尔滨工业大学等，建立了一些具有实用价值的系统，代表性的成果有如 下几个： ( 1 ) 参考文献 1 5 】中，中国科学院空间科学与应用研究中心的周盛雨博士在2 0 0 8 年开发出了一套基于模块化方法，采用定期回读f p g a 数据实现对抗单粒子 翻转的原理样机； ( 2 ) 参考文献 7 1 1 0 1 中，电子科技大学李广军教授领导的科研小组，致力于自重构 技术的研究，现在已经开发了基于模块的a e s 算法的局部重构和基于s o p c 的f f t 模块自重构系统，二者均在x i l i n xv i r t e x i ip r o 开发板上实现。 ( 3 ) 参考文献 4 2 】 4 7 中，复旦大学的博士和硕士生研究了可重构计算的软硬件开 发、使用算法分析软硬件协同问题以及优化配置文件的布局布线算法研究； 1 4 论文研究内容及结构安排 1 4 1 论文研究的内容 本文在m i a 0 3 开发板的基础上，实现了基于f p g a 的动态局部重构系统和基于 s o p c 的动态局部自重构系统，具体研究内容主要涉及以下几个方面： ( 1 ) 查阅了动态局部可重构技术方面的中英文资料，了解了目前国内外的研究现状， 掌握了f p o a 的基本设计流程和x i l i n x 公司生成的f p g a 芯片重构原理，选取 了x i l i n x 公司生产的m l 4 0 3 为开发平台； ( 2 ) 研究和比较了目前正在使用的几种动态局部可重构开发流程，简要分析了各种 开发流程的优缺点和适用情况； ( 3 ) 开发了基于f p g a 的动态局部可重构系统，完成了各个模块划分和硬件描述语 言实现，并使用e a p r 的方法设计了整个系统，在j t a g 配置方式下完成了系 统的板极验证： ( 4 ) 研究了x i l i n x 公司的3 2 位硬核处理器p o w e rp c 的软硬件开发，以及基于此的 4 g - 西大掌硕士掌位论文 基于研) g a 的动态局部可重构系统研究 s o p c 嵌入式系统设计； ( 5 ) 设计了基于s o p c 的动态局部自重构系统的硬件架构和软件实现，研究了用于 模块间通信的基于查找表的总线宏的优点，以及自重构系统内部的配置访问端 口；f p g a 采用s y s t e ma c ec f 的配置模式，实现配置逻辑的快速重构和动态 局部自重构； 一( 6 ) 最后对于m l 4 0 3 开发板的动态局部可重构系统的资源利用率和重构区域划分 进行了研究，对于m l 4 0 3 的自重构系统性能进行了分析。 1 4 2 全文结构安排 第一章绪论。介绍了课题的背景、研究目的和意义以及国内外的研究现状。 第二章可重构系统简介。介绍了支持可重构技术的f p g a 芯片的结构和动态局 部配置原理，可重构系统的相关概念，简要介绍现有的几种动态局部可重构流程。 第三章基于f p g a 的动态局部可重构系统实现。阐述了可重构系统的硬件系统 设计框图，各个模块的组成以及系统的设计流程。 第四章基于s o p c 的动态局部白重构系统的设计实现。分析了实现f p g a 动态 局部自重构的关键技术，硬软件设计和设计开发流程，在s y s t e ma c e 配置模式下完 成系统验证。 第五章结果和分析。对动态局部可重构系统在不同局部配置文件情况下的资源利 用情况进行了分析，对可重构区域的划分进行了研究。 第六章总结和展望。对自己的工作内容进行了总结，对未来的研究提出了几点建 议。 5 广西大学硕士掌位论文基于f i ) g a 的动态局部可 构系统研究 第二章可重构系统简介 2 1 可重构f p g a 结构和配置原理 目前，根据编程方式，f p g a 可分为非易失性( n o n v o l a t i l e ) 和易失性( v o l a t i l e ) 两种 o 】。非易失性的f p g a 采用反熔丝开关元件，由专用的编程器根据设计所给的数据文 件对其内部的反熔丝阵列进行烧录，从而达到逻辑功能的实现，它的特点是面积小、 工作频率高、速度快、抗干扰能力强，但是只能一次编程，无法重构【1 0 1 。易失性的f p g a 是基于s r a m 技术的，s r a m 型f p g a 的特点是每次芯片掉电信息就会丢失，所以需 要外加一片专门的配置芯片，提供配置数据。基于s r a m 的f p g a 的可反复编程的特 性使得其成为研究可重构技术的理想平台。 常规的s r a m 的f p g a 只能实现静态重构，这是因为该芯片功能的重新配置大约 需要数毫秒到数十毫秒量级的时间；而在重新配置数据的过程中，旧的逻辑功能失去， 新的逻辑功能尚未建立，电路逻辑在时间轴上断裂，系统功能无法动态连接。所以要 实现高速的动态重构，对器件时钟条件苛刻，要求芯片功能的重新配置时间缩短到纳 秒量级。目前市场上支持部分重构的器件主要是x i l i n x 公司生产的v i r t e x i ip r o ， v i r t e x 4 ，v i r t e x 5 和v i r t e x 6 系列f p g a 芯片。 本论文将以x i l i n x 公司生产的v t r t e x 4 为研究对象，设计基于此的动态局部可重 构系统和动态局部自重构系统。 2 1 1x i l i n xf p g a 的芯片结构 目前f p g a 芯片仍是基于查找表技术的，但其概念和性能已经远远超出查找表技 术的限制，并且整合了常用功能的硬核模块( 如b r a m 、时钟管理和d s p ) 。x i l i n x 公司f p g a 的内部结构示意图如下图2 1 所示，从中可以看出f p g a 芯片主要由6 部 分组成：可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入块式r a m 、 内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块【l l 】。 6 广西大掌硕士掌位论文基于f 1 g a 的动态局部可重构系统研究 图2 - lx i l i n x f p g a 芯片的内部结构图 f i g 2 - 1t h ea r c h i t e c t u r eo f x i l i n xf p g a ( 1 ) 可配置逻辑块( c l b ) c l b 是f p g a 具有可编程能力的主要承担者。c l b 的实际数量和特性根据器件的 不同而不同，但是每个c l b 都包含一个可配置开关矩阵，此矩阵由4 或6 个输入、一 些选型电路( 多路复用器等) 和触发器组成【1 1 1 。在x i l i n x 公司的f p g a 器件中，c l b 由多个( 一般为4 个或2 个) s l i c e 和附加逻辑构成，如下图2 2 所示。 图2 - 2 c l b 内部结构图 f i g 2 - 2t h e a r c h i t e c t u r eo fc l b 7 快速连接 到邻近区 广西大学硕士学位论文基于f p g a 的动态局部可 构系统研究 s l i c e 是x i l i n x 公司定义的基本逻辑单位，一个s l i c e 由两个4 6 输入的查找表 ( l u t ) 、4 个触发器、多路开关及进位链等资源组成i l 。 ( 2 ) 输入输出块( i o b ) 输入输出块( 1 0 b ) 是f p g a 内部资源与外围电路之间的接口，提供输入缓冲、 输出驱动、接口电平转换、阻抗匹配以及延迟控制等功能【1 1 1 。f p g a 内的i o 按组分 类，每组都能够独立地支持不同的i o 标准。通过软件的灵活配置，可适配不同的电 气标准与i o 物理特性，可以调整驱动电流的大小，可以改变上、下拉电阻。 ( 3 ) 嵌入式块内存( b l o c kr a m ，b r a m ) f p g a 内嵌的块r a m ( b r a m ) 是真正的双口r a m 结构，有两套完全独立的读写 数据、地址和控制总纠1 1 】。块r a m 可被配置为单端i ：3r a m 、双端口r a m 、内容地 址存储器( c a m ) 以及f i f o 等【1 2 】。在实际应用中，芯片内部b r a m 的数量也是选择 芯片的一个重要因素。 ( 4 ) 时钟管理模块( d c m ) x i l i n x 推出最先迸的f p g a 提供数字时钟管理和相位环路锁定，相位环路锁定能 够提供精确的时钟综合，且能够降低抖动，并实现过滤功能【3 l 】。 ( 5 ) 底层内嵌功能单元 内嵌功能模块主要指d l l ( d e l a yl o c k e dl o o p ) 、p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) 、d s p 和微处理器等软处理核。 ( 6 ) 内嵌专用硬核 内嵌专用硬核是相对底层嵌入的软核而言的，指f p g a 处理能力强大的硬核( h a r d c o r e ) ，等效于a s i c 电路。x i l i n x 的主流芯片都集成了硬核的块r a m 、硬核乘加器， 在高端产品还集成了p o w e r p c 系列微处理器，内嵌了吉比特收发器( m g t ) 模块【3 1 1 。 丰富的硬核模块，加上x i l i n x 的系统级设计工具e d k 和集成开发环境i s e ，可快 速达到片上可编程系统( s o p c ) 的开发目的。 除了以上描述的资源外，f p g a 芯片内部还有丰富的布线资源，根据工艺、长度、 宽度和分布位置的不同划分为4 个不同的类别，分别是全局布线资源、长线资源、短 线资源和分布式的布线资源，每种布线资源的具体作用可以查阅参考文献【1 1 】。 2 1 2v i r t e x 动态配置原理 现在，可以实现动态局部可重构功能的商用芯片是x i l i n x 公司生产的v l r t e x 系列， 动态局部可重构功能完成是由其芯片结构和配置特征决定的。 v i r t e xf p g a 的配置存储器是由配置列组成的，这些配置列以垂直阵列的方式排 列。配置存储器可分为五种配置列：一个中央列包含四个全局时钟的配置信息；两个 l o b 列存储位于器件左边和右边所有l o b s 的配置信息；c l b 列存储f p g a 基本逻 8 广西大掌硕士掌位论文 基于f p g a 的动态局部可重构系统研究 辑功能的配置信息；b r a m 内容列存储内部b r a m 的配置信息；b r a m 连接列存储 内部块r a m 间互联的配置信息【1 5 1 。 配置列中存储的数据是以配置帧( f r a m e s ) 的方式构成的，配置帧是实现局部重构 的最小单元。配置帧可以理解成是一位比特宽、垂直排列的配置单元。v i r t e x 4 的配 置帧是l 比特宽、1 6 个c l b 高的垂直阵列【3 4 l ，结构如下图2 3 所示： 西 n 吕 局 c l b d s p b 兄哦l o b s _ _ m 一 _ ，b 暑 窭 口 d a 翌 d a 口 ：口 日 口 羹 ：0 ：0 。d 口 ；a t 0 o q 囵 d a a n 圈 口 口 o 。a 璺 口 d ：0 o 露 o 口 d u 。o 营吖 。曩 篓 一 i 登 目九o ；占r ：吕 口! d 昌 l 吕 7 a t 昌 昌 口 i 昌 ：昌 a 兽 ! 昌 口 昱 7 9 ，基 。口 a 8 团 窟： a o 黧 o 0 口 口 口 a d o 篓 a a 口 q 羹 a a d a 西罾i 0 蹬量i 0 g 口 富i o 鲁 令 图2 - 3v i r t e x - 4 的配置帧结构图 f i g 2 - 3 v i r t e x - 4c o n f i g u r a t i o nf la m e sa r c h i t e c t u r e 在f p g a 内部，配置列根据分配给它的配置地址来寻址。f p g a 地址空间被分为 主地址和子地址，每一个配置列在f p g a 内都有唯一的主地址空间，每个配置帧在配 置列内有唯一的子地址空间【1 5 】。 配置帧能够准确的存储到相应的配置空间，是通过配置寄存器来实现的。通过 f p g a 的配置数据线，可以读写内部配置寄存器，从而实现局部重构、回读等配置功 能。动态可重构功能是有如下图2 4 所示的配置接口完成的。 9 时钟区 时钟区 广西大掌硕士学位论文基于f p g a 的动态局部- a t 重构系统研究 陈灌 i l i i i i ：最 l i i i i i 图2 _ 4 动态可重构接口图 f i g 2 - 4b l o c kc o n f i g u r a t i o nl o g i cw i t hd y n a m i ci n t e r f a c e 从上图可以看出接1 3 中含有一个控制器，用于回读和使能动态可重构功能。 通过查阅参考文献【1 7 】和了解芯片内的配置过程，可以看出一般动态局部重构的 重构流程如下，假设在系统中有两个重构模块a 和b 。 ( 1 ) 调用模块b 任务触发，需要挂起可重构区域内的模块a ，并载入模块b ； ( 2 ) 内部控制器停止模块a 的时钟，通过f p g a 配置电路回读模块a 的配置信息； ( 3 ) 从回读的配置帧信息中提取模块a 的状态信息，并且把模块a 的状态存贮在 b r a m 中； ( 4 ) 下载从外部存储器中读取模块b 的配置信息，修改模块b 的地址信息，使其 能够下载到刚才模块a 所在的位置； ( 5 ) 修改模块b 的状态信息，使b 回到上次执行前的状态； ( 6 ) 写修改后的配置帧到配置内存； ( 7 ) 对所有帧重复“回读一修改一写”操作，即执行3 6 过程： 2 2 可重构的分类 按照重构方式的不同，可重构技术分为静态可重构和动态可重构【7 1 。 ( 1 ) 静态可重构( s t a t i cr e c o n f i g u r a t i o n ) 。所谓静态可重构是指重构必须在中断程序 执行的情况下运行，具有以下特点： a ) 在上电以后，将存放在f p g a 外部的非易失性存储器中的配置数据一次性 加载到f p g a 内部的配置存储器s r a m 中。 b ) 在系统运行期间，s r a m 中的配置数据始终保持不变。 c ) 当系统再次启动时，则可以通过加载不同的配置数据来改变f p g a 的逻辑 功能。 静态配置的配置流程如下图2 5 所示： 1 0 广西大掌硕士学位论文基于f p g a 的动态局部可 i t 构系统研究 图2 - 5 静态可重构流程图 f i g 2 - 5s t a t i cp a r t i a lr e c o n f i g u r a t i o n ( 2 ) 动态可重构( d y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o n ) 或实时可重构( r u n t i m e r e c o n f i g u r a t i o n ) 。动态可重构的特点如下： a ) 指在系统运行期间，随时可以通过对f p g a 的重新配置来改变其逻辑功 能，而且并不影响系统的正常运行【2 0 1 。 b ) f p g a 逻辑功能的改变在时间上保持动态连续。 c ) 能够动态地改变数字逻辑系统的功能。 动态可重构的配置流程如下图2 6 所示： 图2 - 6 动态可重构流程图 f i g 2 - 6d y n a m i cp a r t i a lr e c o n f i g u r a t i o n 按重构区域的不同，动态可重构又可分为：动态全局重构和动态局部重构【l7 1 。 ( 1 ) 动态全局重构。动态全局重构时，系统一次性映射算法的全部功能，每次重构 时都需要重新配置f p g a 器件或系统上的全部资源。需要配置新的系统功能时， 系统的中间计算结果必须取出存放于片外的存储区中，直到新的配置功能全部 下载完为止，通常重构前后系统电路相互独立，没有接续性【2 3 1 。 ( 2 ) 动态局部重构。动态局部重构是指对f p g a 器件选定的区域进行重构，而其 余部分仍正常工作，重构前后系统电路之间具有接续性。 三种可重构计算技术之间的资源利用方式和任务配置方式比较如下表2 1 所示： 表2 - 1 可重构计算技术执行特征比较 t a b l e2 1t h ec o m p a r i s o no fr e c o n f i g u r a t i o n 动态局部重构能够在系统运行过程中，根据当前可重构器件上的资源使用情况， 为新的计算任务分配合适的资源空间，完成计算任务与可重构逻辑资源的运行时绑定； 基于f l 粥a 的动态局部可重构系统研究 而在静态重构和全局动态重构技术中，计算任务均在运行前被绑定到整片可重构逻辑 器件上【1 羽。 动态局部自重构系统是一类新型的可重构系统，它的特点是不需要采用传统的板 级的方式用外加的控制单元来控制重构过程，而是利用可重构芯片内嵌的微处理器如 p o w e r p c 或m i c r o b l a z e 作为控制单元对系统的重构过程进行调用和控制【1 0 1 。动态可可 重构、动态局部可重构与动态局部自重构技术的关系如下图2 7 所示。 图2 7 动态可重构、动态局部可重构与动态局部自重构的关系图 f i g 。2 - 7t h er e l a t i o n s h i po fd y n a m i cr e c o n f i g u r a