基于FPGA的動態可重構系統的通信結構研究

　　3.2 通信結構

　　3.2.1 分類

　　基于片上總線策略的通信結構有： RMBoC(Reconfigurable Multiple Bus on Chip)和BUSCOM。基于片上網絡策略的通信結構有： DyNoC(Dynamic Network on Chip)和CoNoChi(Configurable Network on Chip) 。

　　RMBoC是為多處理器系統提出的，基于可重構多總線網絡改進而來的。任何系統級的重構都不會改變RMBoC的模塊和物理拓撲，應用層上的通信結構改變是通過層疊網上的點對點通道。該結構具有高靈活性，但是可伸縮性較弱，其結構如圖2所示。

圖2 RMBoC結構圖

　　DyNoC是首個將基于包的NoC方案用于可重構設計的結構，它由處理單元和路由器組成二維陣列，每個處理單元都連接一個路由器，路由器之間相互連接。該結構的可伸縮性、延展性和可模塊化性能都很好，只是靈活性欠佳。一個5×5的DyNoC系統結構圖如圖3所示。

圖3 5×5 DyNoC系統結構圖

　　4種結構的設計參數見表1，執行參數（在VirtexII上實驗得到）見表2。特別指出，片上總線的執行參數是針對整個結構，而片上網絡的執行參數是針對單個交換節點。

　　這4種結構都能很好地滿足動態可重構FPGA的設計要求。片上網絡的結構體現了較好的結構參數，但是片上面積花費巨大，所以當設計側重片上效率時，首選片上總線的結構。

　　另外，BUSCOM只需要很少的硬件資源，而在分層總線結構中RMBoC的靈活性優于BUSCOM；CoNoChi具有最佳的結構參數，是理論上最支持動態可重構的結構，但是在VirtexII平臺上執行具有一定困難，因而設計了DyNoC來適應VirtexII平臺有限的可重構能力。

　　3.2.2 DyNoC的應用實例

　　交通燈控制(TLC)可以用一個3×3的DyNoC來實現，由3個模塊組成: VGA控制器(VGA),交通燈視覺模塊(LV)和交通燈控制模塊(TC)。VGA模塊可以顯示目前路口情況、行人控制鍵和燈信號；交通燈視覺模塊負責控制交通燈內部構造，由VGA模塊顯示；交通燈控制模塊(TC)用來獲取行人需求。VGA發出X和Y 像素掃描的位置給交通燈視覺模塊，并接收需要顯示的顏色；FSM模塊用來監控行人的鍵控輸入（片上有兩個按鈕），向交通燈視覺模塊發送轉換燈狀態的信息，然后顯示相應顏色的燈。在3×3 DyNoC中，用正中的路由器來實現與其他所有路由器的連接，其他路由器也保持相互通信以確保高通信量。整個交通燈控制(TLC)的實現可以在沒有中斷和故障的情況下運行。

表1 4種結構的設計參數

表2 執行參數（在VirtexII上實驗得到）

　　4 相關問題和發展趨勢

　　① 目前片上系統設計中各IP組件可重用，但通信結構無法重用。因此在系統重構時，怎樣為動態配置的模塊提供一個靈活快速的通信接口成為主要問題。可研究一種動態可重構的NoC架構，能為各IP之間的通信提供靈活的接口，并能通過片上引腳與板級系統的其他芯片進行數據交換，提供較好的通信質量QoS，包括高吞吐量和短延遲等。

　　② NoC設計的一個重要問題是決定路由類型，這對網絡的性能和功耗有重要影響。路由策略越復雜，設計面積就越大，因此需要在面積和性能之間進行折中。選擇路由策略應主要考慮實現的復雜性和性能需求兩大問題。

　　③ 重構時隙將影響系統功能的連續性，為提高動態可重構計算系統性能,如何避免或減少重構時隙是實現動態重構系統的瓶頸問題。對于多重context結構的 DRFPGA,直接通過context間切換來改變配置信息,控制陣列單元實現新功能重構,切換速度直接影響重構時間的長短,一般僅需幾ns。這種重構方式的實現是動態重構技術發展的主要標志。

　　結語

　　本文介紹了可重構體系結構和典型的動態可重構計算結構；詳細分析了動態可重構系統的通信結構，并對4種通信結構的主要性能進行實驗，得出對比數據；列舉了一種結構在交通燈控制中的應用實例；最后探討了動態可重構技術研究面臨的相關問題和發展趨勢。