FPGA遠程動態(tài)重構技術的研究

孫道讓，劉蘊紅

（大連理工大學 電氣工程學院，遼寧 大連116024）

隨著現(xiàn)場可編程門陣列的廣泛應用，對其進行靈活的重新配置的研究也越來越多。目前絕大多數(shù)FPGA都是基于查找表 LUT（Look UP Table）的技術，采用 SRAM工藝生產(chǎn)。這種工藝的FPGA有兩層結(jié)構，上層為配置存儲器，下層是硬件邏輯層。通過上層配置信息控制硬件層門電路的通斷，改變芯片內(nèi)基本邏輯塊的布線，從而形成特定的功能。這種架構為動態(tài)重構技術實現(xiàn)提供了可能。一個FPGA大型數(shù)字系統(tǒng)總是由很多功能模塊組合而成，這樣各個系統(tǒng)模塊的激活狀態(tài)就可能在時間軸上產(chǎn)生分離，時間上分離的模塊就可以共用一個硬件邏輯區(qū)，根據(jù)需要對這個邏輯區(qū)動態(tài)地改變配置，實現(xiàn)不同的功能，這就是局部動態(tài)重構[1]。FPGA的動態(tài)重構使其應用更加靈活，減少了硬件的資源消耗，縮短了開發(fā)周期。但是對一些特殊場合，如深海數(shù)據(jù)采集或機器人野外勘探，開發(fā)者可以為某個系統(tǒng)模塊設計幾個功能，設備在自主運行過程中根據(jù)需要選擇相應的配置數(shù)據(jù)進行配置。如果遇到特殊環(huán)境，事先設計的功能有可能不適合工作要求，需要增加新的功能。在目前硬件進化技術還無法進行實際應用的情況下，本文設計了一種遠程動態(tài)重構的系統(tǒng)來解決上述問題。

1 遠程動態(tài)重構系統(tǒng)的結(jié)構

遠程動態(tài)重構系統(tǒng)有PowerPC處理器和89C54微控制器兩個核心。VirtexII-Pro FPGA內(nèi)部集成有2個PowerPC405嵌入式處理器[2]，本文系統(tǒng)使用其中一個，實現(xiàn)對動態(tài)重構進行控制和調(diào)配。FPGA內(nèi)部用于對局部重構區(qū)域PRR進行重新配置的硬件模塊有3個，分別是嵌入式內(nèi)核PowerPC、系統(tǒng)高級配置環(huán)境System ACE和內(nèi)部配置訪問通道ICAP。System ACE是一種在系統(tǒng)編程的高級配置解決方案，它提供 CF（Compact Flash）、MPU和Test JTAG等多個接口，本系統(tǒng)采用CF卡作為配置數(shù)據(jù)的來源，可以更方便地改變和存儲配置數(shù)據(jù)。ICAP的主要作用就是按照特定時序?qū)⑴渲脭?shù)據(jù)重新配置到 PRR中[3]。

遠程數(shù)據(jù)傳輸通過外接控制器89C54完成，一方面控制器要通過UART接口接收GSM模塊TC35傳來的數(shù)據(jù)；另一方面要把接收到的配置數(shù)據(jù)寫入CF卡中，以供FPGA系統(tǒng)讀取。

System ACE和89C54控制器共用CF卡的控制接口。為避免互相影響，本系使用多路復用器將CF卡端口做分時復用處理，即配置過程中與System ACE連接，而數(shù)據(jù)傳輸存儲過程中與89C54進行連接。遠程動態(tài)重構系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

2 遠程動態(tài)重構的本地準備

以機械手臂的控制為例，采用PID控制、模糊控制和備用三種控制方案，每個控制算法經(jīng)過驗證綜合生成獨立的bit流模塊。這三個模塊共用一個可重構的區(qū)域PRregion，根據(jù)具體情況，選用最適合的算法模塊，動態(tài)地配置重構區(qū)域來控制機械手臂，其他靜態(tài)邏輯區(qū)域則仍然正常運行。這樣不僅提高了系統(tǒng)的靈活性，而且節(jié)省了配置時間、減少了不必要的消耗。FPGA的設計流程一般包括設計、仿真、綜合、實現(xiàn)過程，本文根據(jù)系統(tǒng)自身結(jié)構提出如圖2所示的設計流程。

FPGA重構系統(tǒng)綜合使用EDK（Embedded Development Kit）、ISE和PlanAhead多種工具平臺，采用分層化設計，以簡化設計過程。其過程如下：

(1)利用嵌入式開發(fā)工具EDK設計一個基于PowerPC405的嵌入式控制系統(tǒng)[4]，添加 SystemACE_Compact-Flash外設以支持從CF卡配置FPGA；添加IP核opb_hwicap以支持嵌入式內(nèi)核通過ICAP讀取配置數(shù)據(jù)動態(tài)地配置FPGA。

(2)EDK包含有軟件開發(fā)工具SDK，因此利用SDK對PowerPC405進行軟件編程和調(diào)試，最終生成應用程序二進制executable.elf文件；利用EDK外設創(chuàng)建向?qū)?，?chuàng)建多個控制算法IP模塊，在各自的VHDL文件中編寫相應的算法；使用ISE工具對多個算法模塊進行綜合、創(chuàng)建頂層模塊、實例化嵌入式系統(tǒng)和算法模塊。綜合產(chǎn)生top網(wǎng)表文件。

(3)創(chuàng)建PlanAhead工程，使用以上產(chǎn)生的網(wǎng)表文件和約束文件進行布局布線。其中最重要的是將算法模塊設置為可重構模塊，對其進行嚴格的區(qū)域約束[5]，其約束代碼如下：

AREA_GROUP"AL_PRregion"RANGE=SLICE_(minX)(minY):SLICE_(maxX)(maxY)

AREA_GROUP "AL_PRregion" RANGE = RAMB16_(minX)(minY):RAMB16(maxX)(maxY)

在PlanAhead工具中可以通過可視化方法進行區(qū)域約束，既直觀又簡單。可重構模塊在運行過程中如果需要實現(xiàn)不同的控制算法，則需要在重構區(qū)中添加所有算法模塊綜合生成的網(wǎng)表文件、使用PR Assemble命令生成多個不同的算法bit流文件。除了動態(tài)bit流文件外，PlanAhead還會產(chǎn)生一個靜態(tài)完整的bit流文件static_full.bit?？蓤?zhí)行以下兩個命令生成ace配置文件：

(1)data2mem -bm implementation/system_stub_bd-bt implementation/static_full.bit-bd TestApp/executable.elf tag ppc310_0–o b implementation/static.bit。

(2)xmd -tcl genace.tcl-jprog-target ppc_hw -hw implementation/static.bit-elf TestApp/executable.elf-board ml310-ace system.ace。

3 遠程動態(tài)重構的實現(xiàn)

經(jīng)過動態(tài)重構本地準備之后，得到如表1所示的CF卡配置文件列表。設置保留模塊，是為了給新的控制算法保留一個接口(以一個空文件存儲在CF卡中)。

表1 CF卡配置文件列表

傳統(tǒng)的本地重構設計完成后，針對重構區(qū)域會得到幾個不同的配置文件，如針對機械臂控制算法重構區(qū)得到兩個初期設計的控制算法配置文件。在實際運行過程中，有些環(huán)境只需PID控制就可滿足要求，而有些環(huán)境采用模糊控制更合適。如果采用這兩種控制方法都不能滿足工作要求時，必然要對初期設計進行升級，對復雜危險的工作現(xiàn)場進行遠程動態(tài)重構。

本文提出的設計方法是：GSM模塊作為遠程數(shù)據(jù)傳輸工具，與89C54單片機通過UART端口連接，單片機接收到一個扇區(qū)512 B的數(shù)據(jù)寫入CF卡reserved.bit文件中。GSM模塊采用西門子公司的TC35模塊，它支持AT指令，由89C54發(fā)送AT指令ASCI碼對TC35進行控制[5]。本設計主要涉及到的AT指令如表2所示，TC35以串行模式與89C54進行通信。

表2 主要的AT指令表

CF卡必須格式化成FAT16格式才能用于FPGA的配置文件存儲。FAT格式磁盤必須一次性對一個扇區(qū)進行操作，所以單片機必須從TC35接收滿512 B的數(shù)據(jù)才可以對CF卡進行寫操作。FPGA配置完成之后CF卡處于閑置狀態(tài)，通過多路復用器將CF卡與外接控制器連接以完成對.bit文件的讀寫操作。單片機對CF卡進行操作本質(zhì)就是對FAT文件系統(tǒng)的讀寫。

FAT格式磁盤的邏輯分區(qū)依次為：引導扇區(qū)、文件分配表（FAT1和 FAT2）、文件目錄區(qū)（FDT）和數(shù)據(jù)區(qū)[6]。引導扇區(qū)用于存儲引導程序和磁盤信息，外界訪問CF卡都要經(jīng)過引導區(qū)的識別驗證；FAT是給每個文件分配磁盤物理空間的表格，數(shù)據(jù)區(qū)的劃分單元為簇，一個簇包括64個扇區(qū)，F(xiàn)AT表正是為每個文件構造一個簇鏈表；文件目錄區(qū)是尋找文件的入口，其內(nèi)容是每個文件的目錄信息；在文件目錄之后的扇區(qū)都是以簇為單位進行數(shù)據(jù)存儲，這就是數(shù)據(jù)區(qū)。

CF卡與89C54接口配置關系如圖3所示，單片機使用TrueIDE模式對CF卡進行讀寫，采用邏輯塊LAB（Logical Block Addressing）方式進行尋址。

CF卡寫一個扇區(qū)（讀扇區(qū)基本相似，限于篇幅不列出）的代碼如下：

Write_Sectors:mov R2,#1;一次寫一個扇區(qū)

mov R3,#0Ah;假設 LBA為 000000Ah

mov R4,#0

mov R5,#0 mov R6,#0

mov R7,#WriteSctr

acall Function;將參數(shù)寫入CF控制寄存器

acall WaitDRQ ;等待數(shù)據(jù)請求

acall Write512

ret

Write512：mov R0,#high(data);取數(shù)據(jù)高地址

mov R1,#low(data);取數(shù)據(jù)低地址

mov R7,#2;512 B=2*256

mov R6,#0;256 B

write: mov dph,R0;獲取地址

mov dpl,R1

clr a

movca,@a+dptr;獲取一個數(shù)據(jù)

inc dptr;指向下一個數(shù)據(jù)

movR0,dph;保存地址

movR1,dpl

movDPTR,#Data_Reg;到 CF數(shù)據(jù)寄存器

movx@dptr,a;向 CF卡寫一個數(shù)據(jù)

djnzR6,write

djnzR7,write;將 512 B的數(shù)據(jù)全部寫入CF卡

ret

圖4 遠程動態(tài)重構流程圖

遠程動態(tài)重構的流程如圖4所示?，F(xiàn)場TC35接收到新短信數(shù)據(jù)時會有觸發(fā)信號發(fā)送給89C54單片機，單片機開始讀取TC35Flash數(shù)據(jù)。在對CF卡進行寫操作之前，首先要讀取reserved.bit文件的首簇號；讀取CF卡文件目錄表 FDT，得到 reserved.bit的信息，其中偏移地址為1Ah～1Bh，所存儲的2 B為文件首簇號，而接下來 4 B代表文件大小。由文件首簇號在FAT表中找到文件入口，然后跟蹤簇鏈至簇尾（0XFFFF），按照LAB尋址方式將數(shù)據(jù)按扇區(qū)寫入CF卡數(shù)據(jù)區(qū)，邏輯扇區(qū)號LBA可由簇號按公式“LBA=(簇號－2)×64＋513”計算得到。如果文件數(shù)據(jù)量比舊文件多，則在FAT中增加鏈表，直至把數(shù)據(jù)存儲完畢；如果文件較小，則將原文件剩余FAT簇鏈都寫入0x0000，以釋放空間。對CF卡的寫操作則不對其他區(qū)域進行更改。

CF卡數(shù)據(jù)更新完畢后，接通CF卡與SystemACE控制器之間的多路復用器，對控制算法重構區(qū)進行局部動態(tài)配置，配置過程中不對其他邏輯區(qū)域的運行造成影響。

遠程動態(tài)重構結(jié)合了FPGA局部動態(tài)重構和GSM無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢，對用在野外勘測的機器人和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)有很高的應用價值，允許設計人員根據(jù)系統(tǒng)運作情況實時地改變機器人的控制算法或數(shù)據(jù)處理算法，使其更加適合工作環(huán)境，既方便了設計人員對遠程設備的配置升級，又節(jié)省了大量人力物力。今后該方案將計算機與FPGA硬件平臺連接，可以為硬件的外部進化遠程下載染色體到硬件平臺提供有效途徑。

[1]潘興武，呂志強.基于可穿戴計算機的動態(tài)重構硬件模塊設計[J].電子科技大學學報，2010,39：50-53.

[2]Xilinx Inc.Virtex-II Pro and Virtex-II Pro X FPGA user guide[EB/OL].http://www.xilinx.com/support，2007-05-11.

[3]Xilinx Inc.Early access partial reconfiguration user guide[EB/OL].http://www.xilinx.com/，2010-05-10.

[4]楊浩強.基于 EDK的 FPGA嵌入式系統(tǒng)開發(fā)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[5]孫丘偉，余臻.基于GSM的短信報警收發(fā)平臺設計[J].福州大學學報(自然科學版)，2008，36：44-48.

[6]翟亞東，史忠科.基于CF卡的飛行試驗數(shù)據(jù)記錄器的設計[J].計 算 機 測 量 與 控 制 ，2006,14(10)：1384-1386.