基于FPGA的可重构系统及其结构分析

1 引言

电子系统功能实现的模式不外硬件和软件两种。基于冯.诺依曼或者哈佛体系结构的通用微处理器(MPU、MCU、DSP等)系统是软件实现模式，其硬件电路结构固定，通过串行执行指令实现功能。软件设计灵活、易升级，但执行速度慢、效率低;而专用集成电路(ASIC)采用硬件模式，通过固化的特定运算和单元电路完成功能。指令并行执行，执行速度快、效率高，但开发周期长、缺乏灵活性。在一些实时性和灵活性要求都比较高的场合，采用通用微处理器或者ASIC效果都欠佳。

大规模的电子系统是各种逻辑功能模块的组合。从时间轴上来看，系统中的各个功能模块并不是任何时刻都在工作，而是根据系统外部的整体要求，轮流或循环地激活或工作。随着系统规模的扩大，各功能模块电路的资源利用率反而下降。因此，系统设计要从传统的追求大规模、高密度的方向，转向如何提高资源利用率上来，充分利用有限的资源去实现更大规模的逻辑设计。

基于大规模可编程器件FPGA的可重构系统(Reconfigurable System)，就是利用FPGA可以多次重复编程配置的特点，实现实时电路重构(Reconfiguration of circuitry at runtime，简称RCR)，即在电子系统的工作状态下，动态改变电路的结构，其实质是实现FPGA内部全部或部分逻辑资源的时分复用，使在时间上离散的逻辑电路功能能在同一FPGA中顺序实现。

虽然可重构系统的概念早在1960年就已经提出来，但由于没有理想的可重构器件等原因，这方面的研究一直没有很大突破。1990年以来，随着大规模集成电路的迅速发展，尤其是大规模可编程器件FPGA的出现，研制可重构电子系统的硬件条件已基本具备，实时电路重构的思想逐渐引起了学术界的注意，从而引发了对可重构系统的研究热潮。自从2000年以来，基于FPGA的重构在国际上得到了越来越多的关注和研究。

2 FPGA可重构设计的基础

2.1 FPGA可重构设计的结构基础

可重构设计是指利用可重用的软、硬件资源，根据不同的应用需求，灵活地改变自身体系结构的设计方法。FPGA器件可多次重复配置逻辑的特性使可重构系统成为可能，使系统兼具灵活、便捷、硬件资源可复用等性能。

FPGA器件的结构主要有两种：一是基于反熔丝技术，二是基于SRAM或FLASH编程。用反熔丝开关作基本元件，具有非易失性，编程完成后，FPGA的配置数据不再变化，无法重构。而基于SRAM或FLASH编程的FPGA通过阵列中的SRAM或FLASH单元对FPGA进行编程。SRAM单元由一个RAM和一个PIP晶体管组成，RAM中储存着PIP晶体管的通断信息，系统上电时，这些信息码由外部电路写入到FPGA内部的RAM中，电源断开后，RAM中的数据将丢失。因此SRAM或FLASH编程型FPGA是易失性的，每次重新加电，FPGA都要重新加载数据。这样，运行中的FPGA功能系统在掉电后可以重新下载新的配置数据，以实现不同的功能。这一特点成为FPGA在许多新领域获得广泛应用的关键，尤其成为可重构系统发展的持续驱动力。

2.2 FPGA的重构方式

根据重构的方法不同，FPGA的重构可分为静态重构和动态重构两种，前者是指在系统空闲期间进行在线编程，即断开先前的电路功能后，重新下载存贮器中不同的目标数据来改变目标系统逻辑功能。常规SRAM FPGA都可实现静态重构。后者则是指在系统实时运行中对FPGA芯片进行动态配置(即在改变电路功能的同时仍然保持电路的工作状态)，使其全部或部分逻辑资源实现在系统的高速的功能变换和时分复用。动态重构技术需要特定的基于SRAM或FLASH结构的新型FPGA的支持。随着其产品和技术的相对成熟，动态重构FPGA的设计理论和设计方法已经逐渐成为新的研究热点。

根据实现重构的面积不同，可重构FPGA又可以分为全局重构和局部重构。

(1)全局重构：对FPGA器件或系统能且只能进行全部的重新配置，在配置过程中，计算的中间结果必须取出存放在额外的存储区，直到新的配置功能全部下载完为止。重构前后电路相互独立，没有关联。通常，可以给FPGA串连一个EPROM来存储配置数据，实现前后功能的转化。常规基于SRAM的FPGA的静态重构均为全局重构。

(2)局部重构：对重构器件或系统的一部分进行重新配置，重构过程中，其余部分的工作状态不受影响。这种重构方式减小了重构范围和单元数目，FPGA的重构时间大大缩短，占有相当的速度优势。应用FPGA动态部分重构功能使硬件设计更加灵活，可用于硬件的远程升级、系统容错和演化硬件以及通信平台设计等。动态部分重构可以通过两种方法实现：基于模块化的设计方法(Module-Based Partial Reconfiguration)和基于差别的设计方法(Difference-Based Partial Reconfiguration)。

显然，动态重构比静态重构优越，因为静态重构将整个内部的逻辑单元都重新配置，此时FPGA被挂起不能执行正常操作，重构完成后才能恢复工作，影响系统实时性。动态重构在系统运行中能实时全部或部分重构，且不中断正常逻辑输出，因而更有灵活性和高速度。

大多数FPGA都是基于LUT查找表结构，它们只适用于静态重构，通过向LUT一次下载全部配置数据而设定FPGA的逻辑功能。根据FPGA的容量不同、配置方式不同，全部重构时间为几ms到几秒不等。

对于常规FPGA来说，重载方式多种多样。在系统调试阶段，一般是通过JTAG电缆从主机下载配置数据，调试结束后正式运行时一般是将配置数据放在串行PROM中，上电时向FPGA加载逻辑。但对于系统实际运行还有一些更快更灵活的配置方式，可以缩短FPGA的重构时间，实现灵活重构。如ALTERA公司的FPGA可采用串行被动(PS)方式配置，对于2万逻辑门规模的EP1K10配置数据为20KB，在30MHz的配置时钟下只要5ms即可全部重构。这个速度虽然比不上动态配置的FPGA，但也比JTAG下载、串行PROM配置方式快多了，姑且称之为准动态重构(bogus dynamic restructuring)。而且在许多系统中FPGA并不时刻都在工作，而是以一定的重复频率执行任务，只要在FPGA的空闲时间来得及对其进行重新配置，那么在系统宏观的角度就可以认为是动态配置的，即实时重构。

2.3 支持重构的FPGA器件

近年来，随着FPGA技术的发展，支持重构的FPGA器件新品迭现。Xilinx、Altera、Lattice的FPGA器件都是SRAM查找表结构。Xilinx支持模块化动态部分重构的器件族有XC6200系列，90nm工艺Spartan-3和Virtex-4 、Virtex-II-E和Virtex-II Pro [7]。Acmel公司的AT6000系列同样基于SRAM结构，只是SRAM的各单元能够单独访问配置，即支持部分重构。Lattice公司的基于Flash的FPGA通过在Flash上存储多种逻辑功能的配置数据流，经过配置实现不同逻辑功能，严格意义上讲属于静态可重构技术。Altera公司的Flex系列、ACEX、APEX、Cyclone系列也是基于SRAM的可重构逻辑。支持重构的FPGA器件有数量逐渐增加的趋势。但目前价格相对偏高。