FPGA動態(tài)局部可重構(gòu)中基于TBUF總線宏設(shè)計

 引 言
    FPGA動態(tài)局部可重構(gòu)技術(shù)是指允許可重構(gòu)的器件或系統(tǒng)的一部分進(jìn)行重新配置，配置過程中其余部分的工作不受影響。動態(tài)局部可重構(gòu)縮短了重構(gòu)的時間，減少了系統(tǒng)重構(gòu)的開銷，提高了系統(tǒng)的運行效率。局部動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)中通常將系統(tǒng)劃分為固定模塊和可重構(gòu)模塊?？芍貥?gòu)模塊與其他模塊之間的通信(包括可重構(gòu)模塊和固定模塊之間、可重構(gòu)模塊和可重構(gòu)模塊之間)都是由總線宏實現(xiàn)的。
    動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)在FPGA中的實現(xiàn)是Xilinx公司首先提出的，并且提供了相應(yīng)的開發(fā)工具和開發(fā)流程。他們從Virtex系列器件開始支持動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)，同時他們提供了現(xiàn)成的總線宏文件給動態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)開發(fā)者使用，但是它們提供的總線宏設(shè)計與軟件版本的兼容性很差。Xilinx提供的總線宏可能因為軟件版本的問題會無法正常使用，所以用戶需要借助正在使用的版本軟件設(shè)計總線宏，以實現(xiàn)FPGA動態(tài)局部可重構(gòu)設(shè)計。
    在研究總線宏的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用FPGA Editor可視化的方法設(shè)計基于TBUF的總線宏，并通過FP-GA動態(tài)可重構(gòu)實驗驗證了該方法的正確性。

1 基于TBUF的總線宏結(jié)構(gòu)
    在不同系列的Xilinx FPGA器件中，使用不同的總線宏來實現(xiàn)動態(tài)局部可重構(gòu)技術(shù)。在Virtex，Virtex-E，Virtex-ⅡPro X，Spartan-Ⅱ，Spartan-ⅡE和Spartan-3系列器件中所使用的總線宏都是基于TBUF的，可重構(gòu)模塊的位置固定不變；在Virtex4，Virtex5更高性能的器件中，所使用的總線宏是基于Slice的，可重構(gòu)模塊的位置是可變的；而Virtex-Ⅱ，Virtex-ⅡPro所使用的總線宏既可以基于TBUF，也可以基于Slice。
    目前，使用最多的總線宏，其物理實現(xiàn)是使用6個三態(tài)緩沖器(TBUF)，實現(xiàn)4位的雙向通信。每個TBUF占用1位，每位使用1根TBUF長線，從FPGA的最左側(cè)到最右側(cè)，如圖1所示。TBUF的T端是三態(tài)使能端口；I端是數(shù)據(jù)輸入端口；O是數(shù)據(jù)輸出端口。相應(yīng)地，總線宏的T端(LT和RT)是方向控制端口，控制總線宏從左或從右輸出；I端(LI和RI)是數(shù)據(jù)輸入端口；O端(LO和RO)是數(shù)據(jù)輸出端口。
    總線宏的信息通信是雙向的，既可以從左到右，也可以從右到左。但是對于一個設(shè)計來說，一旦信息通信方向確定以后就不能再改變?？偩€宏的位置精確地跨騎在模塊A和模塊B之間(A或B是可重構(gòu)模塊，或AB全是可重構(gòu)模塊)，其中四柵三態(tài)緩沖器在模塊A內(nèi)，另外四柵在B內(nèi)。對于Virtex-Ⅱ等系列器件，因內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，故兩柵跨騎在模塊A內(nèi)，另外兩柵跨騎在模塊B內(nèi)。

2 基于TBUF的總線宏設(shè)計
    這里在深入研究Xilinx公司所提供的總線宏的基礎(chǔ)上，結(jié)合宏的設(shè)計技術(shù)，完善了總線宏的設(shè)計。
    (1)TBUF的內(nèi)部路由。圖2給出內(nèi)部路由后的TBUF電路結(jié)構(gòu)圖。TMUX的T端決定總線宏的控制端LT和RT高電平有效，而T_B端決定低電平有效。

    無論控制信號是高電平有效，還是低電平有效，在使用總線宏進(jìn)行通信時，LT和RT的值必須是相反的，或者是同時無效的。例如，當(dāng)控制信號高有效時，即T端為1時，TBUF打開。如果總線宏是從左向右傳遞數(shù)據(jù)，則必須將LT設(shè)為1，RT為0，反之亦然；如果總線宏不需要傳遞數(shù)據(jù)，那么兩個控制信號應(yīng)同時為0，此時總線宏輸出為高阻態(tài)。
    (2)TBUF添加的方法。Virtex，Virtex-E，Spar-tan-Ⅱ，Spartan-ⅡE的內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似，與TBUF添加的方法是相同的。在相應(yīng)的位置選擇一個可編程邏輯塊(Configurable Logic Block，CLB)中的一個TBUF作為總線宏的一個TBUF(1個CLB包含2個TBUF)，依次選擇同一行相連下一個CLB中的一個TBUF，直至選夠8個TBUF為止；對于Spartan-3，Virtex-Ⅱ，Virtex-ⅡPro和Virtex-ⅡPro X系列器件；每一個CLB中的2個TBUF都作為總線宏的TBUF被選用，在同一行中依次選擇相連的4個CLB中的8個TBUF作為總線宏的TBUF，如圖3所示。

    (3)TBUF外部端口的命名規(guī)則。根據(jù)圖1的總線宏結(jié)構(gòu)，對各個TBUF的外部端口T，I和O進(jìn)行相應(yīng)的命名，命名時要符合所使用版本軟件的要求。例如，若對端口進(jìn)行如下命名：LI<3>，LT<3>等，而端口在進(jìn)行物理設(shè)計規(guī)則檢查(Design Rule Check，DRC)時會出錯，根據(jù)所提示的出錯信息將命名改為：LI(3)，LT(3)等，即能順利通過DRC，完成端口的命名。
    (4)總線宏輸出端口的定義?？偩€宏輸出端口的定義只能通過手工路由(Manual Route)方法，把相應(yīng)TBUF的輸出端口通過端口連線和TBUF長線連接起來。
    (5)參考TBUF的設(shè)置。設(shè)計中通過約束參考TBUF的位置來決定整個總線宏的位置，若用戶沒有設(shè)置參考TBUF，則FPGA Editor工具會將用戶添加的第一個TBUF默認(rèn)為參考TBUF。
    至此，整個總線宏的設(shè)計完成，如圖4所示。

3 總線宏的驗證
    為了驗證上述總線宏設(shè)計方法的正確與否，這里設(shè)計了一個功能簡單的FPGA動態(tài)局部可重構(gòu)實驗。電路重構(gòu)前實現(xiàn)的功能為：(A+B)*(C-D)，重構(gòu)后實現(xiàn)的功能為：(A+B)》(C-D)。根據(jù)電路功能將電路劃分為3個模塊。其中，加法(A+B)、減法(C-D)為固定模塊M1，M2；乘法／移位(*／》)為可重構(gòu)模塊M3。M1與M3，M2與M3之間分別用總線宏BM1和。BM2實現(xiàn)通信，如圖5所示。
    該實驗采用的軟件開發(fā)平臺：Xilinx ISE6．2i；硬件開發(fā)平臺：可重構(gòu)硬件平臺——XCV800驗證板。
    每一個總線宏只能傳遞4位的信號。當(dāng)可重構(gòu)模塊間需要多于4位的數(shù)據(jù)通信時，可以通過多個總線宏的拼接實現(xiàn)。這種拼接只是簡單地將多個宏拼接為一個文件，而不是將多個宏拼接為一個宏，所以在使用約束語句，約束總線宏的位置時，仍然必須單獨約束每個宏，而不是直接約束一個文件。例如該實驗中模塊M1與模塊M3之間的數(shù)據(jù)通信是8位，則需要2(8／4)個總線宏來實現(xiàn)模塊M1與M3間的通信，M2與M3之間也一樣：

   
    按照FPGA動態(tài)可重構(gòu)軟件設(shè)計流程生成局部動態(tài)可重構(gòu)．bit文件；通過JTAG電纜下載到可重構(gòu)硬件平臺——XCV800驗證板進(jìn)行調(diào)試驗證；通過邏輯分析儀觀察結(jié)果，如圖6所示。

    A，B的和Q1作為總線宏BM1的數(shù)據(jù)輸入LI1；C，D的差Q2作為總線宏BM2的數(shù)據(jù)輸入RI2；BM1和BM2的方向控制端LT1，RT2為高(255)，RT1，LT2為低(O)；數(shù)據(jù)輸入端RI1，LI2懸空，R01，L02分別為總線宏的輸出；Q3為可重構(gòu)模塊M3的輸出。由實驗結(jié)果可知，總線宏的設(shè)計是正確的。

4 結(jié) 語
    目前，Xilinx公司提倡使用最新的EAPR(Early Access Partial Reconfiguration)方法實現(xiàn)FPGA動態(tài)局部可重構(gòu)技術(shù)。該方法中用于可重構(gòu)模塊與其他模塊之間通信的總線宏是基于Slice的，但這個方法只適用于Virtex-Ⅱ，Virtex-ⅡPro，Virtex-IV和Virtex-V等器件，對于Virtex，SpartanⅡ，SpartanⅢ等器件，只能使用基于TBUF的總線宏實現(xiàn)動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)，因此該文對基于TBUF的總線宏研究是有意義的。