FPGA的重構(gòu)是什么，具有哪些要點

“重構(gòu)”對于剛接觸FPGA的人來說，可謂十分神秘，對于已經(jīng)入門的人來說很“簡單”，但是你真的了解FPGA的重構(gòu)嗎？

術(shù)語“重構(gòu)”是指FPGA已經(jīng)配置后的重新編程。FPGA的重構(gòu)有兩種類型：完全的和部分的。完全重構(gòu)將整個FPGA重新編程，而部分重構(gòu)只取代設(shè)計的一部分，設(shè)計的剩下部分仍正常工作。部分重構(gòu)不被視為完全重構(gòu)的特殊情況，因為兩者基本相同。對FPGA執(zhí)行部分重構(gòu)通過使用與完全重構(gòu)（JTAG、CAP或SelectMAP接口）相同的方法來進(jìn)行，如上一節(jié)所述。比特流的結(jié)構(gòu)對于完全和部分重構(gòu)來說都是相同的。

FPGA重構(gòu)具有以下幾個優(yōu)點。它允許多個設(shè)計共享同一個FPGA架構(gòu)，這反過來又降低了FPGA的面積、成本和系統(tǒng)復(fù)雜性。完全和部分重構(gòu)為許多FPGA的創(chuàng)新應(yīng)用程序提供了可能，否則，高昂的成本將影響應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)。利用FPGA重構(gòu)優(yōu)勢的一些應(yīng)用如DSP音頻或視頻處理器等，它們根據(jù)用戶輸人，由包括集成深度包檢測的通信控制器修改處理算法，以改變基于協(xié)議的數(shù)據(jù)包處理器。很多工業(yè)和學(xué)術(shù)性的FPGA重構(gòu)方面的研究不斷產(chǎn)生有價值的應(yīng)用、研究論文和學(xué)位論文。

雖然部分重構(gòu)技術(shù)不是一項新功能，也不是主流的研究方向，但是設(shè)計和實現(xiàn)流程、工具支持甚至名詞術(shù)語都在不斷發(fā)展，用戶界面越來越友好。最終目標(biāo)是向FPGA開發(fā)者提供簡單和透明的設(shè)計流程，無須詳細(xì)了解配置邏輯和比特流結(jié)構(gòu)。部分重構(gòu)是一項復(fù)雜過程，在設(shè)計實現(xiàn)、工具流程和重構(gòu)本身的過程中充斥著多重挑戰(zhàn)。面臨的一個挑戰(zhàn)是在FPGA配置的變化過程中，完成平滑切換而無須中斷剩余設(shè)計功能或損害其完整性。而在完全重構(gòu)過程中，F(xiàn)PGA架構(gòu)和10不能保持在復(fù)位。另一項挑戰(zhàn)是在改變過程中，防止設(shè)計的未改動部分進(jìn)入無效狀態(tài)。設(shè)計者必須正確界定和約束未改動和改動部分之間的接口。這樣，F(xiàn)PGA物理實現(xiàn)工具才能進(jìn)行配置并使用完全相同的布線資源。

有三個部分重構(gòu)流程可用于Xilinx FPGA基于差異的（difference based）、基于分層的（partition based）及使用動態(tài)重構(gòu)端口。基于差異的部分重構(gòu)基于差異的部分重構(gòu)［2］最適合用于將小型設(shè)計轉(zhuǎn)化為LUT方程、IO特征和BRAM中的內(nèi)容。以下是一個簡單的、基于差異的部分重構(gòu)代碼和流程舉例，它可以運(yùn)行在Xilinx開發(fā)板上。

//原始模塊：當(dāng)兩個按鈕都按下時，點亮LED

module top（input btn0，btnl，output led）; assign led=btn0&btnl;endmodule//top

//部分重構(gòu)模塊：當(dāng)兩個按鈕之一按下時，點亮LEDbutton is pressed

module top_pr（input btn0，btn1，output led）; assign led=btn0 | btn1;endmodule//top_pr

#約朿文件：對兩個設(shè)計都相同

NET “btnO” LOC= “A18” ;NET “btnl” LOC= “H17” ;NET “l(fā)ed” LOC= “AD21”;

#實現(xiàn)LED功能的LUT被鎖定到特定邏輯片中#對于原始設(shè)計，LUT函數(shù)是btn0 & btn1#對于部分重構(gòu)設(shè)計，LUT函數(shù)是btn0|btn1

INST “l(fā)ed” AREA_GROUP=“l(fā)ed”;AREA_GROUP “l(fā)ed” RANGE = SLICE_X65Y168:SLICE_X65Y168;

#bitgen命令用于產(chǎn)生部分重構(gòu)比特流#ActiveReconfig和Persist選項在配置變化期間置為全局復(fù)位

$bitgen -g ActiveReconfig:Yes -g Persist:Yes -r top_orig.bittop_pr.ncd top_pr.bittop_orig.bit：原始設(shè)計的比特流top_pr.ncd：部分重構(gòu)設(shè)計的布局布線后輸出top_pr.bit：得到的部分重構(gòu)比特流結(jié)果

上面例子中基于差異的部分重構(gòu)流程包括以下步驟：

（1）編譯top模塊。結(jié)果是比特流文件top_orig.bit。（2）編譯top_pr模塊。結(jié)果是布局布線后文件top_pr.ncd。（3）使用top.orig.bit比特流和top_pr.ncd，生成包含兩個設(shè)計之間LED LUT方程差異的比特流。

基于分層的部分重構(gòu)

與基于差異的重構(gòu)不同，基于分層的部分重構(gòu)流程支持重構(gòu)大型部件FPGA設(shè)計。PlanAhead工具它提供了用于配置、實現(xiàn)和使用分層管理部分重構(gòu)項目的集成環(huán)境。設(shè)計和實現(xiàn)流程的簡要概述如下所示

：?FPGA開發(fā)者指定待配置的部分設(shè)計

?在FPGA芯片上包含所需邏輯、嵌入式存儲器、10和其他資源的區(qū)域。?開發(fā)者定義覆蓋該區(qū)域的所有可能設(shè)計變量。

?PlanAhead工具管理所有諸如編譯設(shè)計的細(xì)節(jié)，包括管理多個網(wǎng)表、靜態(tài)的和可重構(gòu)的設(shè)計部分，執(zhí)行DRC，并產(chǎn)生合適的比特流。

Xilinx應(yīng)用提示XAPP883提供了使用部分重構(gòu)的示例，以允許嵌入式PCI Exress接口模塊的快速配置。

動態(tài)重構(gòu)端口

改變Xilinx GTX收發(fā)器、混合模式時鐘管理器（MMCM）和System Monitor原語設(shè)置的另一種方法，是使用動態(tài)重構(gòu)端口（DRP）DRP提供了一個簡單的用戶邏輯接口，不需要更多地了解配置寄存器和比特流結(jié)構(gòu)。例如，DRP允許輸出時鐘頻率、相位和MMCM的占空比動態(tài)變化。

文章出處：【微信公眾號：OpenFPGA】

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