摘要： 提出了一種FPGA 遠程動態重構的方法， 結合FPGA 動態重構技術和GSM 通信技術來實現。利用GSM 技術實現配置數據的無線傳輸，在單片機控制下將數據存儲于CF 卡中。在內嵌硬核微處理器PowerPC405 控制下，FPGA 通過內部配置存取端口讀取CF 卡中新的配置數據， 對可重構區進行配置以實現新的功能。

隨著現場可編程門陣列的廣泛應用， 對其進行靈活的重新配置的研究也越來越多。目前絕大多數FPGA 都是基于查找表LUT （Look UP Table ） 的技術， 采用SRAM工藝生產。這種工藝的FPGA 有兩層結構， 上層為配置存儲器， 下層是硬件邏輯層。通過上層配置信息控制硬件層門電路的通斷， 改變芯片內基本邏輯塊的布線， 從而形成特定的功能。這種架構為動態重構技術實現提供了可能。一個FPGA 大型數字系統總是由很多功能模塊組合而成， 這樣各個系統模塊的激活狀態就可能在時間軸上產生分離， 時間上分離的模塊就可以共用一個硬件邏輯區， 根據需要對這個邏輯區動態地改變配置， 實現不同的功能， 這就是局部動態重構[ 1]。FPGA 的動態重構使其應用更加靈活， 減少了硬件的資源消耗， 縮短了開發周期。但是對一些特殊場合， 如深海數據采集或機器人野外勘探， 開發者可以為某個系統模塊設計幾個功能， 設備在自主運行過程中根據需要選擇相應的配置數據進行配置。如果遇到特殊環境， 事先設計的功能有可能不適合工作要求， 需要增加新的功能。在目前硬件進化技術還無法進行實際應用的情況下， 本文設計了一種遠程動態重構的系統來解決上述問題。

1 遠程動態重構系統的結構

遠程動態重構系統有PowerPC 處理器和89C54 微控制器兩個核心。VirtexII -Pro FPGA 內部集成有2 個PowerPC405 嵌入式處理器[2]， 本文系統使用其中一個， 實現對動態重構進行控制和調配。FPGA 內部用于對局部重構區域PRR 進行重新配置的硬件模塊有3 個， 分別是嵌入式內核PowerPC、系統高級配置環境System ACE和內部配置訪問通道ICAP。System ACE 是一種在系統編程的高級配置解決方案， 它提供CF （Compact Flash ） 、MPU 和Test JTAG 等多個接口， 本系統采用CF 卡作為配置數據的來源， 可以更方便地改變和存儲配置數據。ICAP 的主要作用就是按照特定時序將配置數據重新配置到PRR 中[3]。

遠程數據傳輸通過外接控制器89C54 完成， 一方面控制器要通過UART 接口接收GSM 模塊TC35 傳來的數據； 另一方面要把接收到的配置數據寫入CF 卡中， 以供FPGA 系統讀取。

System ACE 和89C54 控制器共用CF 卡的控制接口。為避免互相影響， 本系使用多路復用器將CF 卡端口做分時復用處理， 即配置過程中與System ACE 連接，而數據傳輸存儲過程中與89C54 進行連接。遠程動態重構系統結構如圖1 所示。

2 遠程動態重構的本地準備

以機械手臂的控制為例， 采用PID 控制、模糊控制:和備用三種控制方案， 每個控制算法經過驗證綜合生成獨立的bit 流模塊。這三個模塊共用一個可重構的區域PRregion ， 根據具體情況， 選用最適合的算法模塊， 動態地配置重構區域來控制機械手臂， 其他靜態邏輯區域則仍然正常運行。這樣不僅提高了系統的靈活性， 而且節省了配置時間、減少了不必要的消耗。FPGA 的設計流程一般包括設計、仿真、綜合、實現過程， 本文根據系統自身結構提出如圖2 所示的設計流程。

FPGA 重構系統綜合使用EDK（Embedded Development Kit） 、ISE和PlanAhead 多種工具平臺， 采用分層化設計，以簡化設計過程。其過程如下：
(1) 利用嵌入式開發工具EDK 設計一個基于PowerPC405的嵌入式控制系統[4]， 添加SystemACE_Compact-Flash 外設以支持從CF 卡配置FPGA； 添加IP 核opb_hwicap 以支持嵌入式內核通過ICAP 讀取配置數據動態地配置FPGA。

(2)EDK 包含有軟件開發工具SDK， 因此利用SDK對PowerPC405 進行軟件編程和調試， 最終生成應用程序二進制executable.elf 文件； 利用EDK 外設創建向導， 創建多個控制算法IP 模塊， 在各自的VHDL 文件中編寫相應的算法； 使用ISE 工具對多個算法模塊進行綜合、創建頂層模塊、實例化嵌入式系統和算法模塊。綜合產生top 網表文件。

(3) 創建PlanAhead 工程， 使用以上產生的網表文件和約束文件進行布局布線。其中最重要的是將算法模塊設置為可重構模塊， 對其進行嚴格的區域約束[ 5]， 其約束代碼如下：
AREA_GROUP "AL_PRregion" RANGE = SLICE_ (minX)
(minY):SLICE_(maxX)(maxY)
AREA_GROUP "AL_PRregion" RANGE = RAMB16_
(minX)(minY):RAMB16(maxX)(maxY)

在PlanAhead 工具中可以通過可視化方法進行區域約束， 既直觀又簡單。可重構模塊在運行過程中如果需要實現不同的控制算法， 則需要在重構區中添加所有算法模塊綜合生成的網表文件、使用PR Assemble 命令生成多個不同的算法bit 流文件。除了動態bit 流文件外，PlanAhead 還會產生一個靜態完整的bit 流文件static_full.bit 。可執行以下兩個命令生成ace 配置文件：
(1)data2mem -bm implementation/system_stub_bd -bt implementation/static_full.bit -bd TestApp/executable.elf tag
ppc310_0 – o b implementation/static.bit 。

(2)xmd -tcl genace.tcl -jprog -target ppc_hw -hw
implementation/static.bit -elf TestApp/executable.elf -board
ml310 -ace system.ace 。