基于FPGA的動(dòng)態(tài)可重構系統設計與實(shí)現

0 引 言

　　由于數字邏輯系統功能復雜化的需求，單片系統的芯片正朝著(zhù)超大規模、高密度的方向發(fā)展。對于一個(gè)大規模的數字系統而言，系統規模是基于各種邏輯功能模塊的組合。但是，無(wú)論是時(shí)序邏輯系統，還是組合邏輯系統，或者組合／時(shí)序混合系統，從時(shí)間軸上來(lái)看，系統中的各個(gè)功能模塊并不是時(shí)刻都在工作，而是根據系統外部的整體要求，輪流或循環(huán)地被激活或工作。并且，隨著(zhù)數字邏輯規模的擴大，在相同速度條件下，在一定的時(shí)間區間，其功能模塊的平均使用率將下降。因此，系統設計應該從傳統追求大規模、高密度的方向，轉向如何提高資源利用率，用有限的資源實(shí)現更大規模的邏輯設計上來(lái)?？芍貥嬘嬎慵夹g(shù)能夠提供硬件的效率和軟件的可編程性，它綜合了微處理器和ASIC的特點(diǎn)，在空間維和時(shí)間維上均可變。

　　1 可重構技術(shù)概述

　　1．1 可重構的定義

　　可重構就是在電子系統的工作狀態(tài)下，動(dòng)態(tài)地改變電路的結構。這主要通過(guò)對系統中的可編程邏輯器件進(jìn)行重新配置或者局部重新配置來(lái)完成。利用可重構技術(shù)，能在只增加少量硬件資源的情況下，使系統同時(shí)具有軟件實(shí)現和硬件實(shí)現的優(yōu)點(diǎn)。

　　1．2 可重構方式的分類(lèi)

　　按照重構的方式，系統重構可以分為靜態(tài)系統重構(Static Reconfiguration)和動(dòng)態(tài)系統重構(Dynamic Reconfiguration)。

　　1．2．1 靜態(tài)系統重構

　　靜態(tài)系統重構是指目標系統的邏輯功能靜態(tài)重載，只能在運行前配置的系統，如圖1所示。

　　FPGA功能在外部邏輯的控制下，通過(guò)存儲于存儲器中不同的目標系統數據重新下載，從而實(shí)現芯片邏輯功能的改變。

　　1．2．2 動(dòng)態(tài)系統重構

　　動(dòng)態(tài)系統重構是指能在運行過(guò)程中實(shí)時(shí)配置的可重構系統，如圖2所示。

　　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、不同邏輯資源組合而成的，而是通過(guò)對具有專(zhuān)門(mén)緩存邏輯資源的FPGA進(jìn)行局部或全局的芯片邏輯的動(dòng)態(tài)重構而快速實(shí)現的。動(dòng)態(tài)系統結構的FPGA具有緩存邏輯(Cache Logic)，在外部邏輯的控制下，通過(guò)緩存邏輯對芯片邏輯進(jìn)行全局或局部的快速修改，通過(guò)有控制重新布局布線(xiàn)的資源配置來(lái)加速實(shí)現系統的動(dòng)態(tài)重構。就動(dòng)態(tài)重構實(shí)現面積的不同，又可以分為全局重構和局部重構。