基于雙FPGA系統(tǒng)的高速全局動態(tài)重構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

夏飛　李暉宙

摘 要： 基于雙FPGA芯片的可重構(gòu)原型系統(tǒng)，提出一種系統(tǒng)高速全局動態(tài)重構(gòu)設(shè)計方法。利用Xilinx Virtex?7系列FPGA的常規(guī)配置通道，使用一片規(guī)模較小的FPGA芯片作為重構(gòu)控制器對大規(guī)模算法FPGA芯片實現(xiàn)全局動態(tài)重構(gòu)。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)重構(gòu)時間小于60 ms，與常規(guī)FPGA邏輯下載方法相比，配置效率提高了2～3個數(shù)量級。

關(guān)鍵詞： 可編程門陣列； 可重構(gòu)計算； 全局動態(tài)重構(gòu)； 并行配置通道

中圖分類號： TN919?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）16?0151?04

Abstract： A system design method of high?speed global dynamic reconfiguration is proposed， which is based on a dual?FPGA reconfigurable prototype system. By virtue of the general configuration channel of Xilinx Virtex?7 Series FPGA， a small?scale FPGA chip is used as the reconfigurable controller to realize the global dynamic reconfiguration of large?scale algorithm FPGA chip . The experimental results show that the system reconfiguration time is less than 60 ms， and the configuration efficiency of the method is improved by 2 to 3 magnitude orders in comparison with the conventional FPGA logic downloading method.

Keywords： FPGA； reconfigurable computing； global dynamic reconfiguration； parallel configuration channel

動態(tài)重構(gòu)是現(xiàn)場可編程門陣列（Field?Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）計算平臺設(shè)計的技術(shù)難點之一，其重構(gòu)能力是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活性和適應(yīng)性的體現(xiàn)。系統(tǒng)的動態(tài)重構(gòu)能力體現(xiàn)在重構(gòu)的粒度、時間和控制方法多個方面。FPGA屬于細(xì)粒度重構(gòu)器件，配置信息量大，需要開發(fā)高效的重構(gòu)方法，降低重構(gòu)開銷，提高系統(tǒng)的實際計算效率。

1 FPGA

FPGA內(nèi)部的基本結(jié)構(gòu)是邏輯單元陣列，包括可編程邏輯模塊（CLB）、I/O模塊（IOB）和連線資源（PI）三部分[1]，如圖1所示。FPGA是完全不同于CPU，GPU的一種超大規(guī)模集成電路芯片，其功能需要在芯片制造后再定義，用戶可以根據(jù)使用需求將其定義為一個處理器，也可以定義為實現(xiàn)特定功能的邏輯器件。

其中CLB是FPGA的基本邏輯單元，它提供了用戶所需要的邏輯功能，通常規(guī)則地排列成一個陣列，散布于整個芯片。

IOB完成芯片的內(nèi)部邏輯和外部封裝腳的接口，它可編程為輸入/輸出和雙向I/O口三種方式，通常排列于芯片的四周；PI包括各種長度的連接線段和一些可編程的連接開關(guān)，它們將各個可編程邏輯塊或輸入/輸出塊連接起來，構(gòu)成特定功能的電路。改變各個CLB的功能或改變各個CLB與IOB的連接組合都能改變整個芯片的功能。

2 FPGA重構(gòu)

2.1 重構(gòu)的定義和類型

FPGA的重構(gòu)（Reconfiguration）指的是對FPGA進(jìn)行重新配置來改變其邏輯功能，即對FPGA的功能進(jìn)行重定義。FPGA的重構(gòu)可分為靜態(tài)重構(gòu)和動態(tài)重構(gòu)，前者指系統(tǒng)邏輯功能的靜態(tài)重載，即在外部邏輯的控制下，通過改寫芯片配置存儲器中目標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實現(xiàn)芯片邏輯功能的改變。通過JTAG 對FPGA 進(jìn)行編程的方法即為典型的靜態(tài)重構(gòu)方法。

動態(tài)重構(gòu)是指在可重構(gòu)器件運行的過程中，可根據(jù)需要進(jìn)行實時配置，改變電路結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)不同的功能，從而實現(xiàn)芯片邏輯功能的高速動態(tài)變換[2]。動態(tài)重構(gòu)方法使得系統(tǒng)中不同時工作的模塊可以分時復(fù)用FPGA的硬件資源，在動態(tài)切換過程中，系統(tǒng)其他模塊仍能正常工作。動態(tài)重構(gòu)能夠提高系統(tǒng)的自適應(yīng)能力和資源利用率，而且對計算任務(wù)從時間和空間上進(jìn)行分解，使FPGA不僅具有接近ASIC的速度，而且兼具軟件的靈活性。根據(jù)對芯片實現(xiàn)重構(gòu)的區(qū)域和面積不同，動態(tài)重構(gòu)可以分為全局重構(gòu)和局部重構(gòu)。全局重構(gòu)是指對整個FPGA器件進(jìn)行重新配置。在配置過程中，計算的中間結(jié)果必須取出存放在外部的存儲器中，直到新的配置功能全部下載完為止，重構(gòu)前后電路相互獨立、沒有關(guān)聯(lián)。局部重構(gòu)是指對FPGA器件的一部分進(jìn)行重新配置，在配置過程中，系統(tǒng)其余部分的工作狀態(tài)不受影響。

2.2 動態(tài)重構(gòu)方法

近年來隨著FPGA產(chǎn)品和技術(shù)的發(fā)展，動態(tài)可重構(gòu)FPGA作為一種新興的計算結(jié)構(gòu)，其設(shè)計理論和設(shè)計方法已經(jīng)逐漸成為新的研究熱點?；诓煌Y(jié)構(gòu)的FPGA芯片實現(xiàn)動態(tài)重構(gòu)的方法不同，目前常見的有以下兩種：

（1） Off?Chip重構(gòu)。通過改寫芯片配置存儲器來實現(xiàn)芯片的重構(gòu)。FPGA內(nèi)部的邏輯單元可實現(xiàn)多種電路功能，配置存儲器（CM）用于裝載邏輯單元功能和互連關(guān)系的配置信息。這種方式需要首先將配置信息通過端口傳送至FPGA內(nèi)部的CM，然后再將配置信息裝載到芯片邏輯單元中，對邏輯功能進(jìn)行修改。

（2） Context重構(gòu)。這種方式僅限于基于多重Context結(jié)構(gòu)的FPGA，采用交換CM和片上Context存儲器的部分或全部的配置數(shù)據(jù)來實現(xiàn)動態(tài)重構(gòu)。FPGA內(nèi)部的Context存儲器可以存儲多種配置信息。最早實現(xiàn)Context重構(gòu)的是SIDNA工程提出的名為現(xiàn)場可編程片上系統(tǒng)（Field Programmable System On a Chip，F(xiàn)IPSOC），它是一種具備可重構(gòu)能力的粗粒度結(jié)構(gòu)FPGA[3]。動態(tài)編程門陣列（Dynamically Programmable Gate Array，DPGA）是美國麻省理工學(xué)院提出的一種基于多重context 重構(gòu)方式的動態(tài)可重構(gòu)FPGA[4]。又如美國California大學(xué)Morphoing System工程提出的一種粗粒度、多重Context結(jié)構(gòu)的芯片M1[5]中可存儲32種Context信息，通過切換Context部分或全部內(nèi)容來改變配置，從而控制陣列單元實現(xiàn)新的邏輯功能。由于配置信息預(yù)先存儲在FPGA片內(nèi)，芯片的重構(gòu)時間僅取決于Context間的切換速度，重構(gòu)開銷一般僅需幾納秒。此外，RAPID[6]也是一種比較知名的粗粒度可重構(gòu)結(jié)構(gòu)。endprint

在商用領(lǐng)域，Xilinx公司的Virtex系列是基于SRAM技術(shù)和Off?Chip結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)FPGA芯片，提供了Select MAP 32 b并行配置端口，為芯片的快速重構(gòu)提供了良好的硬件支持。

此外，Altera公司也成功推出了Stratix系列動態(tài)可重構(gòu)FPGA[7]并獲得了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于改進(jìn)型游程編碼的FPGA動態(tài)重構(gòu)方法，提高了動態(tài)重構(gòu)效率，但是本質(zhì)上還是基于FPGA芯片提供的并行配置端口。

3 Virtex?7 FPGA配置端口

3.1 V7芯片配置模式

根據(jù)芯片是否能夠主動加載配置數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA的配置方式可分為主動、被動以及JTAG（Joint Test Action Group）模式。除了JTAG模式只支持串行配置外，主被動模式都支持串行和并行（×8，×16和×32）配置方式[9]。

主動配置模式需要預(yù)先將配置文件寫入外部存儲器中，F(xiàn)PGA加電后驅(qū)動配置時鐘，從片外存儲器載入配置信息。在被動模式下，F(xiàn)PGA作為從屬器件，需要外部控制器將數(shù)據(jù)寫入FPGA配置存儲器中。配置數(shù)據(jù)可以存放在系統(tǒng)任何存儲設(shè)備中，如硬盤、主存、FLASH，甚至可以嵌入CPU的執(zhí)行代碼，配置方式更靈活。JTAG模式通常作為系統(tǒng)的調(diào)試模式，主要用于開發(fā)環(huán)節(jié)對芯片功能進(jìn)行測試。XC7VX1140T作為Xilinx Virtex?7系列中的最高檔芯片，能夠支持主動串行、被動串行、JTAG、并行（Select MAP）等多種配置模式[9]。其中Select MAP被動模式是速度最快的并行配置方式，本文采用該模式實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)重構(gòu)。

3.2 被動Select MAP模式

被動Select MAP模式下有×8，×16和×32三種位寬可供選擇，主設(shè)備可以是微處理器、微控制器、DSP、CPLD等，主從設(shè)備的連接關(guān)系如圖2所示。

CLOCK信號為控制信號和數(shù)據(jù)的采樣時鐘，CS_B為片選，RDWR_B為配置讀/寫控制信號。并行Select MAP端口配置數(shù)據(jù)加載時序如圖3所示。

配置過程包括初始化、配置啟動、配置數(shù)據(jù)加載、CRC校驗和START?UP五個步驟：

（1） 初始化。主設(shè)備首先拉低CONFIG_START信號啟動配置過程，250 ns后將CONFIG_START信號拉高；FPGA采樣到CONFIG_START信號為低后啟動初始化，完成后將DONE信號置低。

（2） 清空配置存儲器。主設(shè)備拉低INIT_START信號，F(xiàn)PGA采樣到該信號后，自動清空配置存儲器；控制器可延長INIT_START信號拉低的時間確保配置存儲器被清空，隨后拉高INIT_START信號表示初始化完成。

（3） 配置數(shù)據(jù)加載。配置存儲器清空后，F(xiàn)PGA對配置模式引腳進(jìn)行采樣，確定數(shù)據(jù)加載方式；FPGA在CCLK時鐘的上升沿采樣配置數(shù)據(jù)，寫入配置存儲器。

（4） CRC校驗。FPGA在加載配置數(shù)據(jù)的同時計算CRC值，并將結(jié)果和配置文件中內(nèi)置的CRC值進(jìn)行比較，如果不一致，則說明數(shù)據(jù)加載發(fā)生錯誤，F(xiàn)PGA隨即將INIT_B引腳置低，中斷配置過程?？刂破髟谂渲眠^程中檢測到INIT_B引腳被置低，則立即拉低CONFIG_START，重啟配置過程。

（5） START?UP。當(dāng)最后一個數(shù)據(jù)接收完成并校驗無誤后，F(xiàn)PGA將DONE信號置為高電平，表示FPGA配置完成；將所有I/O引腳由三態(tài)切換到用戶設(shè)置的狀態(tài)；對所有邏輯進(jìn)行復(fù)位，由配置狀態(tài)過渡到用戶狀態(tài)。

4 雙FPGA系統(tǒng)全局動態(tài)重構(gòu)

4.1 系統(tǒng)介紹

本設(shè)計中采用雙FPGA芯片，即使采用一塊小規(guī)模的Virtex?7系列FPGA芯片作為控制器來動態(tài)配置目標(biāo)FPGA芯片。Virtex?7是全球首款28 nm FPGA系列，與Virtex?6器件相比，系統(tǒng)性能提高1倍，功耗降低[12]，信號處理能力提升1.8倍，I/O帶寬提升1.6倍，存儲帶寬提升2倍，達(dá)到2 133 Mb/s，是業(yè)界密度最高的FPGA。該系列頂級的XC7VX1140T芯片集成了178 000個Slice，總計達(dá)1 139 200個邏輯單元；1 880個36 Kb Block RAM存儲模塊，總計67 680 Kb存儲容量；片內(nèi)還集成了3 360個DSP模塊，可達(dá)到5 335 Gb MACS的峰值計算性能[10]。本設(shè)計采用V7系列較小規(guī)模的XC7VX330T芯片作為接口控制器，330T芯片內(nèi)部包含個51 000個Slice，750個32 Kb BlockRAM和1 120個DSP，此外還集成了2個PCI?E端點（支持第二代PCI?E×8接口）和以太網(wǎng)MAC（媒體訪問控制器）模塊及其他增強(qiáng)型IP Core、系統(tǒng)監(jiān)控模塊以及DCM （數(shù)字時鐘管理器）模塊等，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和對目標(biāo)FPGA芯片（即算法FPGA）實現(xiàn)動態(tài)配置的理想選擇。

PCI?E×8接口是主機(jī)和算法加速器之間的主要互連通路，用于數(shù)據(jù)交互，傳遞操作指令、原始數(shù)據(jù)、計算結(jié)果和算法FPGA重構(gòu)所需的配置流文件，有效數(shù)據(jù)傳輸帶寬為1.0 GB/s。控制FPGA和算法FPGA之間通過兩個獨立的雙向128 b數(shù)據(jù)通道相連，算法FPGA通過這兩個數(shù)據(jù)通道經(jīng)控制FPGA與主機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，峰值數(shù)據(jù)傳輸帶寬為6.4 GB/s。此外，控制FPGA還和算法FPGA的并行配置端口相連，支持32 b并行高速配置，有效數(shù)據(jù)傳輸帶寬為160 MB/s。

4.2 全局動態(tài)重構(gòu)

圖4為雙FPGA原型系統(tǒng)全局動態(tài)重構(gòu)示意圖。采用雙FPGA原型系統(tǒng)的好處是可以靈活控制數(shù)據(jù)的I/O操作和動態(tài)配置全部過程。系統(tǒng)的動態(tài)重構(gòu)過程由主機(jī)，PCI?E接口，CPLD，PROM，SRAM部件共同參與完成。由主機(jī)生成FPGA配置數(shù)據(jù)，并通過PCI?E接口向配置控制器XC7VX330T發(fā)出重構(gòu)命令和配置數(shù)據(jù)。XC7VX330T的通用I/O接口與XC7VX1140T的Select MAP配置端口相連，作為控制器發(fā)起配置過程。系統(tǒng)動態(tài)重構(gòu)過程如下（圖4中的序號對應(yīng)動態(tài)重構(gòu)過程編號）：endprint

（1） 采用靜態(tài)重構(gòu)方法將控制FPGA（XC7VX330T）的配置數(shù)據(jù)通過JTAG接口預(yù)先下載至PROM中；

（2） 設(shè)備加電后，CPLD從兩塊PROM芯片的4個Bank中選擇一個設(shè)計加載至控制FPGA。加載過程完成后，XC7VX330T自動復(fù)位并進(jìn)入正常工作狀態(tài)，通過PCI?E接口與主機(jī)建立連接；

（3） 控制FPGA接收到主機(jī)發(fā)出的算法FPGA重構(gòu)命令，進(jìn)入啟動配置狀態(tài)；

（4） 控制FPGA從PCI?E接口接收主機(jī)發(fā)送的配置數(shù)據(jù)，并緩存在SRAM中；

（5） 配置數(shù)據(jù)接收完成后，控制FPGA啟動對算法FPGA（XC7VX1140T）的動態(tài)重構(gòu)過程，按照芯片被動模式下的配置時序?qū)⑴渲梦募腟RAM存儲器中讀出，通過XC7VX1140T芯片SelectMAP32 配置端口寫入FPGA配置存儲器；

（6） 配置過程結(jié)束后，XC7VX1140T芯片返回配置完成信號（DONE），并自動復(fù)位，進(jìn)入正常工作狀態(tài)；

（7） XC7VX330T芯片將配置完成信號返回給主機(jī)，配置過程結(jié)束，算法FPGA芯片進(jìn)入正常工作狀態(tài)，開始執(zhí)行計算任務(wù)；

（8） 在正常工作狀態(tài)下，如果XC7VX330T再次收到主機(jī)發(fā)出的重構(gòu)命令，則重復(fù)步驟（4）～步驟（7）對算法FPGA實現(xiàn)動態(tài)重構(gòu)。

4.3 動態(tài)任務(wù)切換

在系統(tǒng)工作過程中，主機(jī)和FPGA之間通過片外存儲器的指定地址空間，采用DMA方式經(jīng)PCI?E接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。對于簡單的單個應(yīng)用，主機(jī)首先通過配置通道將配置文件加載至FPGA，數(shù)據(jù)發(fā)送后啟動計算過程，之后不再干預(yù)FPGA的工作，直到計算結(jié)果有效。而對包含不同算法和多個處理步驟的較復(fù)雜應(yīng)用則需要主機(jī)和FPGA的高效協(xié)同：主機(jī)在計算的特定環(huán)節(jié)向FPGA發(fā)出操作命令，通過數(shù)據(jù)和配置通道提供配置文件和計算參數(shù)，對FPGA實現(xiàn)動態(tài)重構(gòu)；FPGA則使用中斷和狀態(tài)寄存器報告程序的執(zhí)行狀態(tài)。主機(jī)根據(jù)當(dāng)前應(yīng)用類型和用戶指定的算法選擇合適的處理流程，在文件庫中按次序調(diào)用相應(yīng)的配置文件，通過動態(tài)重構(gòu)將配置文件發(fā)送給FPGA，實現(xiàn)不同應(yīng)用和處理過程之間的任務(wù)切換，讓不同應(yīng)用程序或程序段分時使用硬件資源。通過自動改變硬件配置來適應(yīng)正在運行的用戶程序，可實現(xiàn)在不同計算任務(wù)之間進(jìn)行快速切換，大大提高對應(yīng)用的整體加速效果。

5 結(jié) 語

本文基于雙FPGA芯片的可重構(gòu)原型系統(tǒng)，提出了一種系統(tǒng)高速全局動態(tài)重構(gòu)設(shè)計方法。利用Xilinx Virtex?7系列FPGA的常規(guī)配置通道，使用一片規(guī)模較小的FPGA作為重構(gòu)控制器對大規(guī)模算法FPGA芯片實現(xiàn)全局動態(tài)重構(gòu)，芯片重構(gòu)時間小于60 ms，可以實現(xiàn)不同算法和應(yīng)用的快速切換。與幾十秒乃至上百秒的常規(guī)FPGA邏輯下載方法相比，配置效率提高了2～3個數(shù)量級，從而有效提高了系統(tǒng)的實際計算效率。

注：本文通訊作者為李暉宙。

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