基于TBUF總線宏的FPGA可視化設(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(yùn)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(shí)現(xiàn)的。

　　動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)在FPGA中的實(shí)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?yàn)檐浖姹镜膯栴}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(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)是使用6個三態(tài)緩沖器（TBUF），實(shí)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。

　?。?）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。

　?。?）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：LI3>，LT3>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。

　?。?）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。