基于FPGA的可重构系统及其结构分析

摘 要　系统可重构技术是满足电子系统实时性和灵活性要求的先进技术。通过对FPGA结构和重构方式的扁平型电感分析，说明可重配置FPGA器件是可重构系统的良好载体，并提出准动态重构的概念。根据现有应用，提出了基于FPGA的可重构系统面向中低端应用的通用微处理器+FPGA型和面向高一体电感器端应用的处理器集成型即可编程片上系统两种基本结构模式，并对其应用加以展望。
关键词　可重构系统；FPGA；可编程片上系统；结构

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，通功率电感器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高频电感器点，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，研制可重差模电感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。

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