基于FPGA的可重構(gòu)系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)分析

摘 要　系統(tǒng)可重構(gòu)技術(shù)是滿足電子系統(tǒng)實時性和靈活性要求的先進技術(shù)。通過對FPGA結(jié)構(gòu)和重構(gòu)方式的分析，說明可重配置FPGA器件是可重構(gòu)系統(tǒng)的良好載體，并提出準(zhǔn)動態(tài)重構(gòu)的概念。根據(jù)現(xiàn)有應(yīng)用，提出了基于FPGA的可重構(gòu)系統(tǒng)面向中低端應(yīng)用的通用微處理器+FPGA型和面向高端應(yīng)用的處理器集成型即可編程片上系統(tǒng)兩種基本結(jié)構(gòu)模式，并對其應(yīng)用加以展望。
關(guān)鍵詞　可重構(gòu)系統(tǒng)；FPGA；可編程片上系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)

1　引言
電子系統(tǒng)功能實現(xiàn)的模式不外硬件和軟件兩種?；隈T.諾依曼或者哈佛體系結(jié)構(gòu)的通用微處理器（MPU、MCU、DSP等）系統(tǒng)是軟件實現(xiàn)模式，其硬件電路結(jié)構(gòu)固定，通過串行執(zhí)行指令實現(xiàn)功能。軟件設(shè)計靈活、易升級，但執(zhí)行速度慢、效率低；而專用集成電路（ASIC）采用硬件模式，通過固化的特定運算和單元電路完成功能。指令并行執(zhí)行，執(zhí)行速度快、效率高，但開發(fā)周期長、缺乏靈活性。在一些實時性和靈活性要求都比較高的場合，采用通用微處理器或者ASIC效果都欠佳。
大規(guī)模的電子系統(tǒng)是各種邏輯功能模塊的組合。從時間軸上來看，系統(tǒng)中的各個功能模塊并不是任何時刻都在工作，而是根據(jù)系統(tǒng)外部的整體要求，輪流或循環(huán)地激活或工作。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大，各功能模塊電路的資源利用率反而下降。因此，系統(tǒng)設(shè)計要從傳統(tǒng)的追求大規(guī)模、高密度的方向，轉(zhuǎn)向如何提高資源利用率上來，充分利用有限的資源去實現(xiàn)更大規(guī)模的邏輯設(shè)計。
基于大規(guī)?？删幊唐骷﨔PGA的可重構(gòu)系統(tǒng)（Reconfigurable System），就是利用FPGA可以多次重復(fù)編程配置的特點，實現(xiàn)實時電路重構(gòu)（Reconfiguration of circuitry at runtime，簡稱RCR），即在電子系統(tǒng)的工作狀態(tài)下，動態(tài)改變電路的結(jié)構(gòu)，其實質(zhì)是實現(xiàn)FPGA內(nèi)部全部或部分邏輯資源的時分復(fù)用，使在時間上離散的邏輯電路功能能在同一FPGA中順序?qū)崿F(xiàn)。
雖然可重構(gòu)系統(tǒng)的概念早在1960年就已經(jīng)提出來，但由于沒有理想的可重構(gòu)器件等原因，這方面的研究一直沒有很大突破。1990年以來，隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，尤其是大規(guī)模可編程器件FPGA的出現(xiàn)，研制可重構(gòu)電子系統(tǒng)的硬件條件已基本具備，實時電路重構(gòu)的思想逐漸引起了學(xué)術(shù)界的注意，從而引發(fā)了對可重構(gòu)系統(tǒng)的研究熱潮。自從2000年以來，基于FPGA的重構(gòu)在國際上得到了越來越多的關(guān)注和研究。
2　FPGA可重構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)
2.1　FPGA可重構(gòu)設(shè)計的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
可重構(gòu)設(shè)計是指利用可重用的軟、硬件資源，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，靈活地改變自身體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。FPGA器件可多次重復(fù)配置邏輯的特性使可重構(gòu)系統(tǒng)成為可能，使系統(tǒng)兼具靈活、便捷、硬件資源可復(fù)用等性能。
FPGA器件的結(jié)構(gòu)主要有兩種：一是基于反熔絲技術(shù)，二是基于SRAM或FLASH編程。用反熔絲開關(guān)作基本元件，具有非易失性，編程完成后，F(xiàn)PGA的配置數(shù)據(jù)不再變化，無法重構(gòu)。而基于SRAM或FLASH編程的FPGA通過陣列中的SRAM或FLASH單元對FPGA進行編程。SRAM單元由一個RAM和一個PIP晶體管組成，RAM中儲存著PIP晶體管的通斷信息，系統(tǒng)上電時，這些信息碼由外部電路寫入到FPGA內(nèi)部的RAM中，電源斷開后，RAM中的數(shù)據(jù)將丟失。因此SRAM或FLASH編程型FPGA是易失性的，每次重新加電，F(xiàn)PGA都要重新加載數(shù)據(jù)。這樣，運行中的FPGA功能系統(tǒng)在掉電后可以重新下載新的配置數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)不同的功能。這一特點成為FPGA在許多新領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵，尤其成為可重構(gòu)系統(tǒng)發(fā)展的持續(xù)驅(qū)動力。
2.2　FPGA的重構(gòu)方式
根據(jù)重構(gòu)的方法不同，F(xiàn)PGA的重構(gòu)可分為靜態(tài)重構(gòu)和動態(tài)重構(gòu)兩種，前者是指在系統(tǒng)空閑期間進行在線編程，即斷開先前的電路功能后，重新下載存貯器中不同的目標(biāo)數(shù)據(jù)來改變目標(biāo)系統(tǒng)邏輯功能。常規(guī)SRAM FPGA都可實現(xiàn)靜態(tài)重構(gòu)。后者則是指在系統(tǒng)實時運行中對FPGA芯片進行動態(tài)配置（即在改變電路功能的同時仍然保持電路的工作狀態(tài)），使其全部或部分邏輯資源實現(xiàn)在系統(tǒng)的高速的功能變換和時分復(fù)用。動態(tài)重構(gòu)技術(shù)需要特定的基于SRAM或FLASH結(jié)構(gòu)的新型FPGA的支持。隨著其產(chǎn)品和技術(shù)的相對成熟，動態(tài)重構(gòu)FPGA的設(shè)計理論和設(shè)計方法已經(jīng)逐漸成為新的研究熱點。

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根據(jù)實現(xiàn)重構(gòu)的面積不同，可重構(gòu)FPGA又可以分為全局重構(gòu)和局部重構(gòu)。
（1）全局重構(gòu)：對FPGA器件或系統(tǒng)能且只能進行全部的重新配置，在配置過程中，計算的中間結(jié)果必須取出存放在額外的存儲區(qū)，直到新的配置功能全部下載完為止。重構(gòu)前后電路相互獨立，沒有關(guān)聯(lián)。通常，可以給FPGA串連一個EPROM來存儲配置數(shù)據(jù)，實現(xiàn)前后功能的轉(zhuǎn)化。常規(guī)基于SRAM的FPGA的靜態(tài)重構(gòu)均為全局重構(gòu)。
（2）局部重構(gòu)：對重構(gòu)器件或系統(tǒng)的一部分進行重新配置，重構(gòu)過程中，其余部分的工作狀態(tài)不受影響。這種重構(gòu)方式減小了重構(gòu)范圍和單元數(shù)目，F(xiàn)PGA的重構(gòu)時間大大縮短，占有相當(dāng)?shù)乃俣葍?yōu)勢。應(yīng)用FPGA動態(tài)部分重構(gòu)功能使硬件設(shè)計更加靈活，可用于硬件的遠程升級、系統(tǒng)容錯和演化硬件以及通信平臺設(shè)計等。動態(tài)部分重構(gòu)可以通過兩種方法實現(xiàn)：基于模塊化的設(shè)計方法（Module-Based Partial Reconfiguration）和基于差別的設(shè)計方法（Difference-Based Partial Reconfiguration）。
顯然，動態(tài)重構(gòu)比靜態(tài)重構(gòu)優(yōu)越，因為靜態(tài)重構(gòu)將整個內(nèi)部的邏輯單元都重新配置，此時FPGA被掛起不能執(zhí)行正常操作，重構(gòu)完成后才能恢復(fù)工作，影響系統(tǒng)實時性。動態(tài)重構(gòu)在系統(tǒng)運行中能實時全部或部分重構(gòu)，且不中斷正常邏輯輸出，因而更有靈活性和高速度。
大多數(shù)FPGA都是基于LUT查找表結(jié)構(gòu)，它們只適用于靜態(tài)重構(gòu)，通過向LUT一次下載全部配置數(shù)據(jù)而設(shè)定FPGA的邏輯功能。根據(jù)FPGA的容量不同、配置方式不同，全部重構(gòu)時間為幾ms到幾秒不等。
對于常規(guī)FPGA來說，重載方式多種多樣。在系統(tǒng)調(diào)試階段，一般是通過JTAG電纜從主機下載配置數(shù)據(jù)，調(diào)試結(jié)束后正式運行時一般是將配置數(shù)據(jù)放在串行PROM中，上電時向FPGA加載邏輯。但對于系統(tǒng)實際運行還有一些更快更靈活的配置方式，可以縮短FPGA的重構(gòu)時間，實現(xiàn)靈活重構(gòu)。如ALTERA公司的FPGA可采用串行被動（PS）方式配置，對于2萬邏輯門規(guī)模的EP1K10配置數(shù)據(jù)為20KB，在30MHz的配置時鐘下只要5ms即可全部重構(gòu)。這個速度雖然比不上動態(tài)配置的FPGA，但也比JTAG下載、串行PROM配置方式快多了，姑且稱之為準(zhǔn)動態(tài)重構(gòu)（bogus dynamic restructuring）。而且在許多系統(tǒng)中FPGA并不時刻都在工作，而是以一定的重復(fù)頻率執(zhí)行任務(wù)，只要在FPGA的空閑時間來得及對其進行重新配置，那么在系統(tǒng)宏觀的角度就可以認為是動態(tài)配置的，即實時重構(gòu)。
2.3　支持重構(gòu)的FPGA器件
近年來，隨著FPGA技術(shù)的發(fā)展，支持重構(gòu)的FPGA器件新品迭現(xiàn)。Xilinx、Altera、Lattice的FPGA器件都是SRAM查找表結(jié)構(gòu)。Xilinx支持模塊化動態(tài)部分重構(gòu)的器件族有XC6200系列，90nm工藝Spartan-3和Virtex-4 、Virtex-II-E和Virtex-II Pro [7]。Acmel公司的AT6000系列同樣基于SRAM結(jié)構(gòu)，只是SRAM的各單元能夠單獨訪問配置，即支持部分重構(gòu)。Lattice公司的基于Flash的FPGA通過在Flash上存儲多種邏輯功能的配置數(shù)據(jù)流，經(jīng)過配置實現(xiàn)不同邏輯功能，嚴(yán)格意義上講屬于靜態(tài)可重構(gòu)技術(shù)。Altera公司的Flex系列、ACEX、APEX、Cyclone系列也是基于SRAM的可重構(gòu)邏輯。支持重構(gòu)的FPGA器件有數(shù)量逐漸增加的趨勢。但目前價格相對偏高。
3　基于FPGA的可重構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
由于可重構(gòu)系統(tǒng)的研究歷史很短，目前尚未形成標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式，在此僅根據(jù)已有的應(yīng)用做初步分析。
按重構(gòu)的粒度和方式，可重構(gòu)系統(tǒng)可以粗略地分為兩種。一種是粗粒度重構(gòu)單元的模塊級重構(gòu)，即重構(gòu)時改變某一個或若干個子模塊的結(jié)構(gòu)。此時不僅電路邏輯改變，連線資源也重新分配。重構(gòu)所需的電路輸出配置信息事先由編譯軟件生成。通常重構(gòu)時系統(tǒng)需要暫停工作，待重構(gòu)完成后再繼續(xù)。這種重構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計簡單，但靈活性不足，且有時不能完全發(fā)揮出硬件運算的效率。較適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。
另一種細粒度的重構(gòu)單元的元件級重構(gòu)，即重構(gòu)時僅改變?nèi)舾稍倪壿嫻δ?。通常情況下重構(gòu)時連線資源的分配狀況不作修改，重構(gòu)所需的電路配置信息在系統(tǒng)運行過程中動態(tài)產(chǎn)生。重構(gòu)時系統(tǒng)可以邊重構(gòu)邊工作。這種重構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，但靈活性大，能充分發(fā)揮出硬件運算的效率，較適合高速數(shù)字濾波器、演化計算、定制計算等方面的應(yīng)用。
從現(xiàn)有的可重構(gòu)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)看，可以根據(jù)應(yīng)用類型加以區(qū)分，在中低端應(yīng)用中，主要采用通用微處理器MPU（MCU/DSP）+FPGA形式；在高端應(yīng)用中，主要采用處理器集成型，即將處理器、存儲器、I/O口、LVDS、CDR等系統(tǒng)設(shè)計需要的資源集成到一個FPGA芯片上，構(gòu)建成一個可編程的片上系統(tǒng)SoPC（System on Programmable Chip）。
3.1　MPU+FPGA結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點
通用微處理器具有良好的接口功能，便于構(gòu)建可重構(gòu)系統(tǒng)。按照MPU與FPGA之間的相互關(guān)系以及在系統(tǒng)中所起的作用，主要可以分為兩類：MPU控制FPGA工作的可重構(gòu)系統(tǒng)和MPU協(xié)同F(xiàn)PGA工作的可重構(gòu)系統(tǒng)。
3.1.1　MPU控制FPGA工作的可重構(gòu)系統(tǒng)
這類系統(tǒng)采用MPU作為系統(tǒng)的控制核心，在FPGA中實現(xiàn)控制器的外設(shè)電路功能。實質(zhì)上，這是傳統(tǒng)MPU控制系統(tǒng)的繼承與發(fā)展，根據(jù)系統(tǒng)需要，在FPGA中定制實現(xiàn)各分立的外部設(shè)備與接口，如SRAM、鍵盤與顯示接口以及總線的擴展等應(yīng)用。
例如在某多通道超聲信號高速采集處理系統(tǒng)中，所需處理的數(shù)據(jù)流龐大，對它的處理是計算密集型任務(wù)。采用DSP+FPGA結(jié)構(gòu)模式，以FPGA作為DSP的協(xié)處理器，能夠以硬件的速度進行并行計算，同時利用其在線可重構(gòu)特性，靈活地改變內(nèi)部邏輯配置來完成多種不同算法的任務(wù)。[!--empirenews.page--]
由于主要控制任務(wù)在MPU上實現(xiàn)，系統(tǒng)邏輯實現(xiàn)的重點在編制MPU程序上，而FPGA則更多地使用IP （Intellectual Property）核實現(xiàn)基本功能模塊，軟件開發(fā)在整個系統(tǒng)設(shè)計過程中所占比重較大。
3.1.2　MPU協(xié)同F(xiàn)PGA工作的可重構(gòu)系統(tǒng)
這類系統(tǒng)通常以可編程邏輯器件為核心，在其內(nèi)部實現(xiàn)面向應(yīng)用的邏輯控制功能（通常以狀態(tài)機FSM實現(xiàn)），而MPU則占據(jù)次要地位（充當(dāng)FPGA控制器的外設(shè)）。應(yīng)該說，這類系統(tǒng)充分利用了可編程邏輯器件和MCU的特點，實現(xiàn)了優(yōu)勢互補。它主要應(yīng)用在面向?qū)崟r性應(yīng)用、并行處理以及高速等環(huán)境中。例如，使用高密度FPGA進行多路A/D高速采樣，經(jīng)內(nèi)部處理模塊處理后，并行輸出結(jié)果，整個過程的時序控制在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)；而MPU只負責(zé)對FPGA各功能模塊的參數(shù)裝載、啟動命令發(fā)送及FPGA工作狀態(tài)監(jiān)控等外圍任務(wù)。
這類系統(tǒng)的開發(fā)重點主要在FPGA邏輯功能的硬件實現(xiàn)上，而MPU的控制軟件比較簡單。
在實際應(yīng)用中，系統(tǒng)的特點并不像以上兩種類型這么明顯，普遍存在的是兼具以上特點的系統(tǒng)，只是所占比重不同而已。
3.2　單片F(xiàn)PGA上的SoC—SoPC
將片上系統(tǒng)SOC和FPGA各自的優(yōu)點相結(jié)合，實現(xiàn)現(xiàn)場可編程、可重構(gòu)的新型SoC就是片上系統(tǒng)SoPC。
以Altera Stratix FPGA器件為例，Stratix體系把硬件、軟件和IP功能從技術(shù)上融合到基于模塊的設(shè)計中。這個新的體系結(jié)構(gòu)采用CPU軟核Nios和DirectDriveTM的MultiTrackTM互聯(lián)布線結(jié)構(gòu)。Nios II系列32位嵌入式處理器是一款通用的RISC結(jié)構(gòu)的CPU，它定位于廣泛的嵌入式應(yīng)用。可編程的NiosII核含有許多可配置的接口模塊，用戶可根據(jù)設(shè)計要求，利用Altera的Quartus II軟件以及SoPC Builder工具，允許設(shè)計者輕松地將Nios II處理器嵌入到他們的系統(tǒng)中。用戶還可通過Matlab和DSP Builder，或直接用VHDL等硬件描述語言，為NiosII嵌入式處理器設(shè)計各類硬件模塊，并以指令的形式加入到NiosII的指令系統(tǒng)中，使其成為NiosII系統(tǒng)的一個接口設(shè)備，與整個片內(nèi)嵌入式系統(tǒng)融為一體，而不是直接下載到FPGA中生成龐大的硬件系統(tǒng)。正是NiosII所具有的這些重要特點，使得可重構(gòu)SoPC的設(shè)計成為可能。市場上流行的SoPC器件廠商Xilinx和Altera都提供功能強大的SoPC設(shè)計平臺，并提供大量的IP核和參考設(shè)計，這是SoPC的一大優(yōu)勢。
當(dāng)然，可重構(gòu)系統(tǒng)的形式并沒有完全定型，各類型間的分界是非常模糊的，甚至是交叉重合的?？梢灶A(yù)見，隨著可重構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，還會有新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。
4　基于FPGA的可重構(gòu)系統(tǒng)的應(yīng)用簡析
基于FPGA的可重構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)越的應(yīng)用性能主要體現(xiàn)在：①能以硬件的速度執(zhí)行算法，同時又具有靈活的可配置性；②當(dāng)作緩存邏輯，在不同的時間段向FPGA加載不同的邏輯配置，實現(xiàn)硬件復(fù)用，提高資源利用率，減小系統(tǒng)規(guī)模功耗；③可構(gòu)造主動式數(shù)字容錯系統(tǒng)，在系統(tǒng)發(fā)生故障時重新配置FPGA達到自修復(fù)；④實現(xiàn)可進化的硬件，對不斷變化的環(huán)境能迅速適配；⑤可使設(shè)計者用更為簡單的硬件和更短的設(shè)計周期來實現(xiàn)更多的功能，降低系統(tǒng)的成本。因此，基于FPGA的可重構(gòu)系統(tǒng)在軍事目標(biāo)匹配、聲納波束合成、基因組匹配、圖像紋理填充、遺傳學(xué)方面基因組分析、集成電路的計算機輔助設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)安全、光互連、高速數(shù)字濾波器、圖像壓縮、嵌入式系統(tǒng)等方面，都有著廣泛的應(yīng)用前景。相信隨著FPGA技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)將進入更多應(yīng)用領(lǐng)域，為人類帶來更多的便利。