基于SRAM的FPGA的問世標(biāo)志著現(xiàn)代可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)的開端，并極大地推動(dòng)了其發(fā)展?？芍貥?gòu)計(jì)算技術(shù)能夠提供硬件的效率和軟件的可編程性，它綜合了微處理器和ASIC的特點(diǎn)，空間維和時(shí)間維上均可變，因而廣泛應(yīng)用在軍事目標(biāo)匹配、大數(shù)運(yùn)算、聲納波束合成、基因組匹配、圖像紋理填充、集成電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等方面。對(duì)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)相關(guān)技術(shù)的研究將推動(dòng)可重構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，以滿足更多的應(yīng)用需求。

1 可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)



圖1 可重構(gòu)單元RPU和傳統(tǒng)微處理器的耦合關(guān)系圖
　　
用可重構(gòu)器件構(gòu)造的基本體系結(jié)構(gòu)，按可重構(gòu)處理單元RPU和傳統(tǒng)微處理器的耦合方式，可分為以下4種：

① 作為一個(gè)單獨(dú)的處理單元通過I/O 接口連接總線，是最松散的連接方式，如圖1（a）所示；

② 作為主處理器的處理單元掛在主機(jī)的本地總線上，通過Cache 來實(shí)現(xiàn)和主處理器之間的連接，如圖1（b）所示；

③ 作為協(xié)處理單元，可以執(zhí)行較大粒度的運(yùn)算，如圖1（c）所示；

④ RPU被集成到處理器芯片內(nèi)，作為主處理器一個(gè)擴(kuò)展的數(shù)據(jù)通道，提供功能可以定制的指令，如圖1（d）所示。

2 典型動(dòng)態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　
重構(gòu)可分為靜態(tài)重構(gòu)和動(dòng)態(tài)重構(gòu)。如果重構(gòu)必須在中斷程序執(zhí)行的情況下運(yùn)行,則稱為“靜態(tài)重構(gòu)”；如果裝載配置文件的過程可以與程序執(zhí)行同時(shí)進(jìn)行，即在改變電路功能的同時(shí)，仍然保證電路的動(dòng)態(tài)接續(xù)，則稱為“動(dòng)態(tài)重構(gòu)”。動(dòng)態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)多是基于多配置文件的RPU，可在運(yùn)行部分配置文件的同時(shí)改變其他配置文件，從而顯著縮短重新配置的時(shí)間。動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)可以使數(shù)字系統(tǒng)單片化的設(shè)計(jì)從追求邏輯大規(guī)模、高集成度轉(zhuǎn)向追求資源利用率，從專用的固定功能邏輯系統(tǒng)轉(zhuǎn)向功能可自適應(yīng)進(jìn)化的邏輯系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)理論和方法已逐漸成為新的研究熱點(diǎn)。下面介紹幾種典型的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)結(jié)構(gòu)。
　　
Garp： 美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的BRASS研究小組開發(fā)的，由一個(gè)MIPS微處理器和FPGA組合而成的系統(tǒng)。其核心是探索如何將可重構(gòu)計(jì)算單元嵌入到傳統(tǒng)的RISC處理器中,并論證這種可變結(jié)構(gòu)對(duì)某些領(lǐng)域計(jì)算的加速能力。
　　
M1、M2芯片： M1芯片是美國(guó)加州大學(xué)Morphosys工程提出的一種粗粒度、多重配置文件可重構(gòu)結(jié)構(gòu)；M2是M1的一種改進(jìn)結(jié)構(gòu),兼具DSP器件的靈活性和ASIC芯片的高性能，可廣泛應(yīng)用于并行計(jì)算系統(tǒng)、多媒體數(shù)據(jù)處理、高質(zhì)量圖像處理、DSP 變換等領(lǐng)域。
　　
FIPSOC： SIDNA工程提出的一種粗粒度結(jié)構(gòu)的FPGA。時(shí)序邏輯部分有多重配置文件的動(dòng)態(tài)重構(gòu)功能。為支持動(dòng)態(tài)重構(gòu)，每個(gè)寄存器中的數(shù)據(jù)都可復(fù)制，微處理器的指令和功能單元均做了改進(jìn)。
　　
DPGA： 麻省理工大學(xué)的Transit工程提出的，劃分結(jié)構(gòu)為二維陣列單元的DRFPGA。當(dāng)DPGA器件實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的重配置時(shí),AE內(nèi)部要能實(shí)現(xiàn)多種功能以供配置，而常規(guī)FPGA僅實(shí)現(xiàn)對(duì)同一功能的重復(fù)配置。
　　
XPP(eXtreme Processing Platform) 結(jié)構(gòu)： PACT公司提出的一種粗粒度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的數(shù)據(jù)處理技術(shù),其中心思想是用配置流替代指令流，支持并行任務(wù)。XPP對(duì)處理大量流數(shù)據(jù)的應(yīng)用效率很高,適用于無線基站、圖像、視頻流處理、雷達(dá)聲納、生物信息、過程仿真和加密等領(lǐng)域。

3 動(dòng)態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)

3.1 兩種基本策略
　　
典型的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)常常采用片上總線和片上網(wǎng)絡(luò)兩種通信策略。最常用的是片上總線，其主要優(yōu)點(diǎn)是高靈活性，可延展，設(shè)計(jì)花銷小，一般在帶寬要求較低時(shí)時(shí)延也較短；缺點(diǎn)是過長(zhǎng)的通信線路帶來一定能耗，且限制系統(tǒng)時(shí)鐘速率。當(dāng)通信結(jié)構(gòu)中含有兩個(gè)以上的模塊時(shí)，可伸縮性減弱。分層總線結(jié)構(gòu)可以減輕關(guān)鍵路徑上的總線負(fù)載，通過橋連接多個(gè)總線可將速度要求不同的器件隔離在不同的時(shí)鐘域上，使得SoC得以延續(xù)PCB板的優(yōu)良性能。
　　
片上網(wǎng)絡(luò)（NoC）技術(shù)從體系結(jié)構(gòu)上徹底解決了總線結(jié)構(gòu)所固有的三大問題:由于地址空間有限而引起的擴(kuò)展性問題；由于分時(shí)通信而引起的通信效率問題；由于全局同步而引起的功耗和面積問題。其主要優(yōu)點(diǎn)是能支持硬件模塊之間的并發(fā)通信，可伸縮性更強(qiáng)，可用于支持更大帶寬，但時(shí)延更長(zhǎng)。元件的模塊化更有利于IP重用，從而提供更高的時(shí)鐘頻率和低功耗。相對(duì)于總線結(jié)構(gòu)使用中央控制邏輯，NoC的每個(gè)交換節(jié)點(diǎn)都包含緩存、路由邏輯和仲裁邏輯，因而其最大缺點(diǎn)是片上面積花銷更大。
　　
NoC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有直接網(wǎng)絡(luò)Orthogonal拓?fù)洹⒘⒎竭B接循環(huán)拓?fù)?、Octagon拓?fù)涞龋婚g接網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銫rossbar Switch結(jié)構(gòu)、FullyConnected網(wǎng)絡(luò)和Butterfly拓?fù)涞?。NoC拓?fù)浞绞降倪x擇將顯著影響通信架構(gòu)的傳輸能力。為配合芯片架構(gòu)復(fù)雜度與成本，芯片本身的處理特性與應(yīng)用目標(biāo)，在通信架構(gòu)方面必須考慮拓?fù)涞穆窂狡骄嚯x、可擴(kuò)展大小、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、頂點(diǎn)數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)直徑等。由于NoC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇對(duì)其產(chǎn)品的最終性價(jià)比起到?jīng)Q定性影響，因此選擇正確的拓樸結(jié)構(gòu)能有效縮短各種應(yīng)用的設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證時(shí)間。

3.2 通信結(jié)構(gòu)

3.2.1 分類
　　
基于片上總線策略的通信結(jié)構(gòu)有： RMBoC(Reconfigurable Multiple Bus on Chip)和BUSCOM。基于片上網(wǎng)絡(luò)策略的通信結(jié)構(gòu)有： DyNoC(Dynamic Network on Chip)和CoNoChi(Configurable Network on Chip) 。
　　
RMBoC是為多處理器系統(tǒng)提出的，基于可重構(gòu)多總線網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)而來的。任何系統(tǒng)級(jí)的重構(gòu)都不會(huì)改變RMBoC的模塊和物理拓?fù)?，?yīng)用層上的通信結(jié)構(gòu)改變是通過層疊網(wǎng)上的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通道。該結(jié)構(gòu)具有高靈活性，但是可伸縮性較弱，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
　　
DyNoC是首個(gè)將基于包的NoC方案用于可重構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，它由處理單元和路由器組成二維陣列，每個(gè)處理單元都連接一個(gè)路由器，路由器之間相互連接。該結(jié)構(gòu)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(gè)5×5的DyNoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。



圖2 RMBoC結(jié)構(gòu)圖



圖3 5×5 DyNoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
　　
4種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，執(zhí)行參數(shù)（在VirtexII上實(shí)驗(yàn)得到）見表2。特別指出，片上總線的執(zhí)行參數(shù)是針對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)，而片上網(wǎng)絡(luò)的執(zhí)行參數(shù)是針對(duì)單個(gè)交換節(jié)點(diǎn)。
　　
這4種結(jié)構(gòu)都能很好地滿足動(dòng)態(tài)可重構(gòu)FPGA的設(shè)計(jì)要求。片上網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了較好的結(jié)構(gòu)參數(shù)，但是片上面積花費(fèi)巨大，所以當(dāng)設(shè)計(jì)側(cè)重片上效率時(shí)，首選片上總線的結(jié)構(gòu)。
　　
另外，BUSCOM只需要很少的硬件資源，而在分層總線結(jié)構(gòu)中RMBoC的靈活性優(yōu)于BUSCOM；CoNoChi具有最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)，是理論上最支持動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的結(jié)構(gòu)，但是在VirtexII平臺(tái)上執(zhí)行具有一定困難，因而設(shè)計(jì)了DyNoC來適應(yīng)VirtexII平臺(tái)有限的可重構(gòu)能力。

3.2.2 DyNoC的應(yīng)用實(shí)例
　　
交通燈控制(TLC)可以用一個(gè)3×3的DyNoC來實(shí)現(xiàn)，由3個(gè)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(hào)；交通燈視覺模塊負(fù)責(zé)控制交通燈內(nèi)部構(gòu)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(fā)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(jiān)控行人的鍵控輸入（片上有兩個(gè)按鈕），向交通燈視覺模塊發(fā)送轉(zhuǎn)換燈狀態(tài)的信息，然后顯示相應(yīng)顏色的燈。在3×3 DyNoC中，用正中的路由器來實(shí)現(xiàn)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(gè)交通燈控制(TLC)的實(shí)現(xiàn)可以在沒有中斷和故障的情況下運(yùn)行。

表1 4種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)



表2 執(zhí)行參數(shù)（在VirtexII上實(shí)驗(yàn)得到）



4 相關(guān)問題和發(fā)展趨勢(shì)
　　
① 目前片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)中各IP組件可重用，但通信結(jié)構(gòu)無法重用。因此在系統(tǒng)重構(gòu)時(shí)，怎樣為動(dòng)態(tài)配置的模塊提供一個(gè)靈活快速的通信接口成為主要問題?？裳芯恳环N動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的NoC架構(gòu)，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(jí)系統(tǒng)的其他芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，提供較好的通信質(zhì)量QoS，包括高吞吐量和短延遲等。

② NoC設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題是決定路由類型，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能和功耗有重要影響。路由策略越復(fù)雜，設(shè)計(jì)面積就越大，因此需要在面積和性能之間進(jìn)行折中。選擇路由策略應(yīng)主要考慮實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性和性能需求兩大問題。

③ 重構(gòu)時(shí)隙將影響系統(tǒng)功能的連續(xù)性，為提高動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)性能,如何避免或減少重構(gòu)時(shí)隙是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)的瓶頸問題。對(duì)于多重context結(jié)構(gòu)的DRFPGA,直接通過context間切換來改變配置信息,控制陣列單元實(shí)現(xiàn)新功能重構(gòu),切換速度直接影響重構(gòu)時(shí)間的長(zhǎng)短,一般僅需幾ns。這種重構(gòu)方式的實(shí)現(xiàn)是動(dòng)態(tài)重構(gòu)技術(shù)發(fā)展的主要標(biāo)志。

結(jié)語
　　
本文介紹了可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)和典型的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)；詳細(xì)分析了動(dòng)態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)，并對(duì)4種通信結(jié)構(gòu)的主要性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出對(duì)比數(shù)據(jù)；列舉了一種結(jié)構(gòu)在交通燈控制中的應(yīng)用實(shí)例；最后探討了動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)研究面臨的相關(guān)問題和發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1] Xilinx Corporaton[EB/OL] . http :// www. xilinx. com ,2002-12.

[2] Thilo Pionteck, Carsten Albrecht, Roman Koch, et al. Communication Architectures for Dynamically Reconfigurable FPGA Designs.

[3] Nikolaos S Voros，Konstantinos Masselos.System Level Design of Reconfigurable Systems-on-Chip[M]. 北京： 科學(xué)出版社，2007.

[4] Moreno J M，et al. Reliation of SelfRepairing and Evoluable Hardware Structures by Means of Implicit Self-configuration[J]. IEEE 1999： 182 187.

[5] Rafael Maestre ect.A Framework for Reconfigurable Computing :Task Scheduling and Context Management [J] . IEEE Transcation On VLSI Systems,2001,9(6).
劉倩（碩士研究生），主要研究方向?yàn)榭芍貥?gòu)體系結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法；
李廣軍（教授、博士生導(dǎo)師），主要研究方向?yàn)闊o線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、通信專用集成電路設(shè)計(jì)、EDA/SOC設(shè)計(jì)；
郭志勇（講師、博士研究生），主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)、通信專用集成電路設(shè)計(jì)。