基于模塊化設(shè)計方法實現(xiàn)FPGA動態(tài)部分重構(gòu)

配置列根據(jù)分配給它的配置地址（Configuration Address）來尋址。每一個配置列在FPGA內(nèi)都有唯一的主地址（Major Address）空間。

FPGA的邏輯功能通過配置比特流（Configuration Bitstream）來實現(xiàn)。對于動態(tài)部分重構(gòu)功能來說，需重構(gòu)的配置邏輯是通過下載不同的部分配置比特流來實現(xiàn)的。

2基于模塊化動態(tài)部分重構(gòu)FPGA的設(shè)計方法

所謂的FPGA模塊化設(shè)計就是將系統(tǒng)按照一定規(guī)則劃分成若干模塊，然后對每個模塊分別進行設(shè)計、綜合，并將實現(xiàn)結(jié)果約束在預(yù)先設(shè)置好的區(qū)域內(nèi)，最后將所有模塊的實現(xiàn)結(jié)果有機的組織起來完成整個系統(tǒng)的設(shè)計^[4]。其劃分模塊的基本原則為：子模塊功能相對獨立，模塊內(nèi)部聯(lián)系盡量緊密，模塊間的連接盡量簡單。對于那些難以滿足模塊劃分準(zhǔn)則的具有強內(nèi)部關(guān)聯(lián)的設(shè)計，不適合采用此設(shè)計方法。

FPGA模塊化設(shè)計的優(yōu)點在于：團隊式并行工作從而加速整個項目的開發(fā)進度；每個子模塊都能夠靈活使用綜合和實現(xiàn)工具獨立進行優(yōu)化，從而達到更好的優(yōu)化結(jié)果；調(diào)試、更改某個子模塊時，不會影響其他模塊的實現(xiàn)結(jié)果，保證了整個設(shè)計的穩(wěn)定性與可靠性。

模塊化設(shè)計方法使用Xilinx公司的ISE軟件設(shè)計工具，常用HDL語言作為設(shè)計輸入，頂層模塊描述設(shè)計的全局邏輯，包括設(shè)計的輸入/輸出、所有子模塊的黑盒子（Black Box）聲明以及子模塊之間的連接關(guān)系。所謂黑盒子聲明是指在頂層模塊中僅僅對子模塊進行端口描述與信號屬性聲明，并不包含任何實際邏輯和時序關(guān)系的描述。子模塊通常也使用HDL語言描述，分別設(shè)計出各子模塊的邏輯實體并綜合所設(shè)計的子模塊。由于子模塊的輸入/輸出并不是整個設(shè)計的外部接口，所以在綜合過程中應(yīng)禁止子模塊插入I/O端口，而僅在綜合頂層模塊時才插入I/O端口。最后將所有子模塊的實現(xiàn)結(jié)果和頂層的實現(xiàn)結(jié)果有機地組織起立，完成整個設(shè)計的實現(xiàn)。圖2是基于模塊化設(shè)計方法的流程。

采用模塊化設(shè)計方法實現(xiàn)FPGA的動態(tài)部分重構(gòu)，首先進行模塊劃分，將設(shè)計的固定邏輯即運行過程中不需要更改的邏輯劃分到固定模塊，將需要更改的部分劃分到可重構(gòu)模塊中。其次模塊的放置位置和大小也有限制，必須遵循一定的規(guī)則^[5]：可重構(gòu)模塊的高度和器件的高度一致，從圖1中可以直觀地認(rèn)為模塊必須包含整個配置列；可重構(gòu)模塊的寬度最小是4個Slice（一個CLB包含兩個完全相同的Slice），并且必須為4個Slice的倍數(shù)；如果可重構(gòu)模塊位于器件的最左邊或是最右邊的Slice列，則所有位于器件邊緣的IOBs將作為可重構(gòu)模塊的資源；為了減少設(shè)計的復(fù)雜度，可重構(gòu)模塊的數(shù)量應(yīng)該盡量少等。

圖2 模塊化設(shè)計流程

3 FPGA動態(tài)部分重構(gòu)的實現(xiàn)

在本設(shè)計實例中，F(xiàn)PGA實現(xiàn)的功能是對外圍接口電路進行邏輯控制以及根據(jù)外圍不同設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理算法。據(jù)此將設(shè)計劃分為固定模塊和可重構(gòu)模塊，其中固定模塊內(nèi)實現(xiàn)對外接口的控制邏輯，可重構(gòu)模塊內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理算法。本例中只將FPGA的邏輯功能更換一次，即可重構(gòu)模塊只部分重構(gòu)一次，將其在重構(gòu)前后的不同邏輯功能分別計作reconfig_a和reconfig_b。系統(tǒng)會根據(jù)需要動態(tài)部分重構(gòu)FPGA，為不同的數(shù)據(jù)源選擇適合的處理方法。本設(shè)計由Virtex-E XCV600E器件來實現(xiàn)。

根據(jù)模塊所需資源的大小和模塊劃分原則，在用戶約束文件（UCF）中將每個模塊的位置進行約束，如下所示：

INST fix AREA_GROUP = AG_fix ；（1）

AREA_GROUP AG_fix RANGE = CLB_R1C1:CLB_R48C36 ；（2）

INST reconfig AREA_GROUP = AG_reconfig ； （3）

AREA_GROUP AG_reconfig RANGE = CLB_R1C37:CLB_R48C72 ；（4）

其中（2）、（4）指定了兩個模塊的具體位置。