基于FPGA的可重構系統及其結構分析

3 基于FPGA的可重構系統結構分析

由于可重構系統的研究歷史很短，目前尚未形成標準的結構形式，在此僅根據已有的應用做初步分析。

按重構的粒度和方式，可重構系統可以粗略地分為兩種。一種是粗粒度重構單元的模塊級重構，即重構時改變某一個或若干個子模塊的結構。此時不僅電路邏輯改變，連線資源也重新分配。重構所需的電路輸出配置信息事先由編譯軟件生成。通常重構時系統需要暫停工作，待重構完成后再繼續。這種重構系統設計簡單，但靈活性不足，且有時不能完全發揮出硬件運算的效率。較適合應用于嵌入式系統中。

另一種細粒度的重構單元的元件級重構，即重構時僅改變若干元件的邏輯功能。通常情況下重構時連線資源的分配狀況不作修改，重構所需的電路配置信息在系統運行過程中動態產生。重構時系統可以邊重構邊工作。這種重構系統設計復雜，但靈活性大，能充分發揮出硬件運算的效率，較適合高速數字濾波器、演化計算、定制計算等方面的應用。

從現有的可重構系統組織結構看，可以根據應用類型加以區分，在中低端應用中，主要采用通用微處理器MPU(MCU/DSP)+FPGA形式;在高端應用中，主要采用處理器集成型，即將處理器、存儲器、I/O口、LVDS、CDR等系統設計需要的資源集成到一個FPGA芯片上，構建成一個可編程的片上系統SoPC(System on Programmable Chip)。

3.1 MPU+FPGA結構的可重構系統的結構特點

通用微處理器具有良好的接口功能，便于構建可重構系統。按照MPU與FPGA之間的相互關系以及在系統中所起的作用，主要可以分為兩類：MPU控制FPGA工作的可重構系統和MPU協同FPGA工作的可重構系統。

3.1.1 MPU控制FPGA工作的可重構系統

這類系統采用MPU作為系統的控制核心，在FPGA中實現控制器的外設電路功能。實質上，這是傳統MPU控制系統的繼承與發展，根據系統需要，在FPGA中定制實現各分立的外部設備與接口，如SRAM、鍵盤與顯示接口以及總線的擴展等應用。

例如在某多通道超聲信號高速采集處理系統中，所需處理的數據流龐大，對它的處理是計算密集型任務。采用DSP+FPGA結構模式，以FPGA作為DSP的協處理器，能夠以硬件的速度進行并行計算，同時利用其在線可重構特性，靈活地改變內部邏輯配置來完成多種不同算法的任務。

由于主要控制任務在MPU上實現，系統邏輯實現的重點在編制MPU程序上，而FPGA則更多地使用IP (Intellectual Property)核實現基本功能模塊，軟件開發在整個系統設計過程中所占比重較大。

3.1.2 MPU協同FPGA工作的可重構系統

這類系統通常以可編程邏輯器件為核心，在其內部實現面向應用的邏輯控制功能(通常以狀態機FSM實現)，而MPU則占據次要地位(充當FPGA控制器的外設)。應該說，這類系統充分利用了可編程邏輯器件和MCU的特點，實現了優勢互補。它主要應用在面向實時性應用、并行處理以及高速等環境中。例如，使用高密度FPGA進行多路A/D高速采樣，經內部處理模塊處理后，并行輸出結果，整個過程的時序控制在FPGA內部實現;而MPU只負責對FPGA各功能模塊的參數裝載、啟動命令發送及FPGA工作狀態監控等外圍任務。

這類系統的開發重點主要在FPGA邏輯功能的硬件實現上，而MPU的控制軟件比較簡單。

在實際應用中，系統的特點并不像以上兩種類型這么明顯，普遍存在的是兼具以上特點的系統，只是所占比重不同而已。

3.2 單片FPGA上的SoC—SoPC

將片上系統SOC和FPGA各自的優點相結合，實現現場可編程、可重構的新型SoC就是片上系統SoPC。

以Altera Stratix FPGA器件為例，Stratix體系把硬件、軟件和IP功能從技術上融合到基于模塊的設計中。這個新的體系結構采用CPU軟核Nios和DirectDriveTM的MultiTrackTM互聯布線結構。Nios II系列32位嵌入式處理器是一款通用的RISC結構的CPU，它定位于廣泛的嵌入式應用。可編程的NiosII核含有許多可配置的接口模塊，用戶可根據設計要求，利用Altera的Quartus II軟件以及SoPC Builder工具，允許設計者輕松地將Nios II處理器嵌入到他們的系統中。用戶還可通過Matlab和DSP Builder，或直接用VHDL等硬件描述語言，為NiosII嵌入式處理器設計各類硬件模塊，并以指令的形式加入到NiosII的指令系統中，使其成為NiosII系統的一個接口設備，與整個片內嵌入式系統融為一體，而不是直接下載到FPGA中生成龐大的硬件系統。正是NiosII所具有的這些重要特點，使得可重構SoPC的設計成為可能。市場上流行的SoPC器件廠商Xilinx和Altera都提供功能強大的SoPC設計平臺，并提供大量的IP核和參考設計，這是SoPC的一大優勢。

當然，可重構系統的形式并沒有完全定型，各類型間的分界是非常模糊的，甚至是交叉重合的。可以預見，隨著可重構技術的發展，還會有新的系統結構出現。

4 基于FPGA的可重構系統的應用簡析

基于FPGA的可重構系統優越的應用性能主要體現在：①能以硬件的速度執行算法，同時又具有靈活的可配置性;②當作緩存邏輯，在不同的時間段向FPGA加載不同的邏輯配置，實現硬件復用，提高資源利用率，減小系統規模功耗;③可構造主動式數字容錯系統，在系統發生故障時重新配置FPGA達到自修復;④實現可進化的硬件，對不斷變化的環境能迅速適配;⑤可使設計者用更為簡單的硬件和更短的設計周期來實現更多的功能，降低系統的成本。因此，基于FPGA的可重構系統在軍事目標匹配、聲納波束合成、基因組匹配、圖像紋理填充、遺傳學方面基因組分析、集成電路的計算機輔助設計、網絡安全、光互連、高速數字濾波器、圖像壓縮、嵌入式系統等方面，都有著廣泛的應用前景。相信隨著FPGA技術的發展，該技術將進入更多應用領域，為人類帶來更多的便利。