摘 要： 提出了一種FPGA遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)重構(gòu)的方法，結(jié)合FPGA動(dòng)態(tài)重構(gòu)技術(shù)和GSM通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用GSM技術(shù)實(shí)現(xiàn)配置數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸，在單片機(jī)控制下將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于CF卡中。在內(nèi)嵌硬核微處理器PowerPC405控制下，F(xiàn)PGA通過(guò)內(nèi)部配置存取端口讀取CF卡中新的配置數(shù)據(jù)，對(duì)可重構(gòu)區(qū)進(jìn)行配置以實(shí)現(xiàn)新的功能。
關(guān)鍵詞： 動(dòng)態(tài)重構(gòu)；FPGA；嵌入式系統(tǒng)；CF卡；GSM

隨著現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列的廣泛應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行靈活的重新配置的研究也越來(lái)越多。目前絕大多數(shù)FPGA都是基于查找表LUT（Look UP Table）的技術(shù)，采用SRAM工藝生產(chǎn)。這種工藝的FPGA有兩層結(jié)構(gòu)，上層為配置存儲(chǔ)器，下層是硬件邏輯層。通過(guò)上層配置信息控制硬件層門(mén)電路的通斷，改變芯片內(nèi)基本邏輯塊的布線(xiàn)，從而形成特定的功能。這種架構(gòu)為動(dòng)態(tài)重構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)提供了可能。一個(gè)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(gè)系統(tǒng)模塊的激活狀態(tài)就可能在時(shí)間軸上產(chǎn)生分離，時(shí)間上分離的模塊就可以共用一個(gè)硬件邏輯區(qū)，根據(jù)需要對(duì)這個(gè)邏輯區(qū)動(dòng)態(tài)地改變配置，實(shí)現(xiàn)不同的功能，這就是局部動(dòng)態(tài)重構(gòu)[1]。FPGA的動(dòng)態(tài)重構(gòu)使其應(yīng)用更加靈活，減少了硬件的資源消耗，縮短了開(kāi)發(fā)周期。但是對(duì)一些特殊場(chǎng)合，如深海數(shù)據(jù)采集或機(jī)器人野外勘探，開(kāi)發(fā)者可以為某個(gè)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)幾個(gè)功能，設(shè)備在自主運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)需要選擇相應(yīng)的配置數(shù)據(jù)進(jìn)行配置。如果遇到特殊環(huán)境，事先設(shè)計(jì)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(jìn)化技術(shù)還無(wú)法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的情況下，本文設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)重構(gòu)的系統(tǒng)來(lái)解決上述問(wèn)題。
1 遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)有PowerPC處理器和89C54微控制器兩個(gè)核心。VirtexII-Pro FPGA內(nèi)部集成有2個(gè)PowerPC405嵌入式處理器[2]，本文系統(tǒng)使用其中一個(gè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)重構(gòu)進(jìn)行控制和調(diào)配。FPGA內(nèi)部用于對(duì)局部重構(gòu)區(qū)域PRR進(jìn)行重新配置的硬件模塊有3個(gè)，分別是嵌入式內(nèi)核PowerPC、系統(tǒng)高級(jí)配置環(huán)境System ACE和內(nèi)部配置訪(fǎng)問(wèn)通道ICAP。System ACE是一種在系統(tǒng)編程的高級(jí)配置解決方案，它提供CF（Compact Flash）、MPU和Test JTAG等多個(gè)接口，本系統(tǒng)采用CF卡作為配置數(shù)據(jù)的來(lái)源，可以更方便地改變和存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)。ICAP的主要作用就是按照特定時(shí)序?qū)⑴渲脭?shù)據(jù)重新配置到PRR中[3]。
遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)外接控制器89C54完成，一方面控制器要通過(guò)UART接口接收GSM模塊TC35傳來(lái)的數(shù)據(jù)；另一方面要把接收到的配置數(shù)據(jù)寫(xiě)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(fù)用器將CF卡端口做分時(shí)復(fù)用處理，即配置過(guò)程中與System ACE連接，而數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)過(guò)程中與89C54進(jìn)行連接。遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)重構(gòu)的本地準(zhǔn)備
以機(jī)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(gè)控制算法經(jīng)過(guò)驗(yàn)證綜合生成獨(dú)立的bit流模塊。這三個(gè)模塊共用一個(gè)可重構(gòu)的區(qū)域PRregion，根據(jù)具體情況，選用最適合的算法模塊，動(dòng)態(tài)地配置重構(gòu)區(qū)域來(lái)控制機(jī)械手臂，其他靜態(tài)邏輯區(qū)域則仍然正常運(yùn)行。這樣不僅提高了系統(tǒng)的靈活性，而且節(jié)省了配置時(shí)間、減少了不必要的消耗。FPGA的設(shè)計(jì)流程一般包括設(shè)計(jì)、仿真、綜合、實(shí)現(xiàn)過(guò)程，本文根據(jù)系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)提出如圖2所示的設(shè)計(jì)流程。

FPGA重構(gòu)系統(tǒng)綜合使用EDK（Embedded Development Kit）、ISE和PlanAhead多種工具平臺(tái)，采用分層化設(shè)計(jì)，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。其過(guò)程如下：
(1)利用嵌入式開(kāi)發(fā)工具EDK設(shè)計(jì)一個(gè)基于PowerPC405的嵌入式控制系統(tǒng)[4]，添加SystemACE_CompactFlash外設(shè)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(guò)ICAP讀取配置數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地配置FPGA。
(2)EDK包含有軟件開(kāi)發(fā)工具SDK，因此利用SDK對(duì)PowerPC405進(jìn)行軟件編程和調(diào)試，最終生成應(yīng)用程序二進(jìn)制executable.elf文件；利用EDK外設(shè)創(chuàng)建向?qū)?，?chuàng)建多個(gè)控制算法IP模塊，在各自的VHDL文件中編寫(xiě)相應(yīng)的算法；使用ISE工具對(duì)多個(gè)算法模塊進(jìn)行綜合、創(chuàng)建頂層模塊、實(shí)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(jìn)行布局布線(xiàn)。其中最重要的是將算法模塊設(shè)置為可重構(gòu)模塊，對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)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(guò)可視化方法進(jìn)行區(qū)域約束，既直觀又簡(jiǎn)單。可重構(gòu)模塊在運(yùn)行過(guò)程中如果需要實(shí)現(xiàn)不同的控制算法，則需要在重構(gòu)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(gè)不同的算法bit流文件。除了動(dòng)態(tài)bit流文件外，PlanAhead還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)完整的bit流文件static_full.bit?？蓤?zhí)行以下兩個(gè)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(yuǎn)程動(dòng)態(tài)重構(gòu)的實(shí)現(xiàn)
經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)重構(gòu)本地準(zhǔn)備之后，得到如表1所示的CF卡配置文件列表。設(shè)置保留模塊，是為了給新的控制算法保留一個(gè)接口(以一個(gè)空文件存儲(chǔ)在CF卡中)。

傳統(tǒng)的本地重構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，針對(duì)重構(gòu)區(qū)域會(huì)得到幾個(gè)不同的配置文件，如針對(duì)機(jī)械臂控制算法重構(gòu)區(qū)得到兩個(gè)初期設(shè)計(jì)的控制算法配置文件。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，有些環(huán)境只需PID控制就可滿(mǎn)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(mǎn)足工作要求時(shí)，必然要對(duì)初期設(shè)計(jì)進(jìn)行升級(jí)，對(duì)復(fù)雜危險(xiǎn)的工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)重構(gòu)。
本文提出的設(shè)計(jì)方法是：GSM模塊作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸工具，與89C54單片機(jī)通過(guò)UART端口連接，單片機(jī)接收到一個(gè)扇區(qū)512 B的數(shù)據(jù)寫(xiě)入CF卡reserved.bit文件中。GSM模塊采用西門(mén)子公司的TC35模塊，它支持AT指令，由89C54發(fā)送AT指令A(yù)SCI碼對(duì)TC35進(jìn)行控制[5]。本設(shè)計(jì)主要涉及到的AT指令如表2所示，TC35以串行模式與89C54進(jìn)行通信。