基于模塊化設計方法實(shí)現FPGA動(dòng)態(tài)部分重構

隨著(zhù)可編程技術(shù)的不斷發(fā)展，FPGA被廣泛應用于電子設計的各個(gè)領(lǐng)域。新的設計思想和設計方法也被不斷的提出和應用，如FPGA的動(dòng)態(tài)部分重構技術(shù)。所謂動(dòng)態(tài)重構是指對于時(shí)序變化的數字邏輯系統，其時(shí)序邏輯的發(fā)生，不是通過(guò)調用芯片內不同區域不同邏輯資源的組合來(lái)實(shí)現，而是通過(guò)對具有專(zhuān)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)重構而快速實(shí)現。動(dòng)態(tài)可重構FPGA器件在編程結構上應具有專(zhuān)門(mén)的特征，其內部邏輯塊和內連線(xiàn)的改變可以通過(guò)讀取不同的配置比特流文件來(lái)實(shí)現邏輯重建。動(dòng)態(tài)部分重構是指重新配置FPGA的部分區域，重構過(guò)程中，FPGA其余部分的工作狀態(tài)不受影響。此方式減小了重構范圍和單元數目，從而大大縮短了FPGA的重構時(shí)間。

應用FPGA動(dòng)態(tài)部分重構功能使硬件設計更加靈活，可用于硬件的遠程升級、系統容錯和演化硬件以及通信平臺設計^[1]等。動(dòng)態(tài)部分重構可以通過(guò)兩種方法實(shí)現：基于模塊化設計方法（Module-Based Partial Reconfiguration）和基于差別的設計方法（Difference-Based Partial Reconfiguration），本文以基于模塊化設計為例說(shuō)明實(shí)現部分重構的方法。

1 FPGA配置原理簡(jiǎn)介

本文針對Xilinx公司的FPGA進(jìn)行研究，支持模塊化動(dòng)態(tài)部分重構的器件族有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(xiàn)等資源^[2]。CLBs是構造用戶(hù)所需邏輯的功能單元，IOBs提供封裝引腿與內部信號引線(xiàn)的接口?？删幊袒ミB資源提供布線(xiàn)通道連接可配置元件的輸入和輸出到相應的網(wǎng)絡(luò )。

存儲在內部配置存儲器單元中的數值決定了FPGA實(shí)現的邏輯功能和互接方式。Virtex FPGA的配置存儲器是由配置列（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器件的配置列構成圖。配置存儲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 列存儲位于器件左邊和右邊所有IOBs的配置信息；CLB列存儲FPGA基本邏輯功能的配置信息；Block SelectRAM Content列存儲內部塊RAM的配置信息；Block SelectRAM Interconnect列存儲內部塊RAM間互聯(lián)的配置信息^[3]。

圖1 Virtex-E XCV600E的配置列構成及地址