DynamicPartialReconfiguration局部动态可重构PPT课件
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FPGA动态重构结构上必须满足以下要求：
不仅具有可重新编程能力，同时可动态进行系统资源地重新配置，而 不会破坏器件中全局或局部逻辑操作能力。
FPGA内部配置信息对称，即在任何时刻、任何通用的基本逻辑功能可 以配置于器件地任何一个位置，运用模型组合去实现设计中的复杂功 能。
基于SRAM结构，由于SRAM的各单元能够单独访问配置，即部分重构。 它们的功能互不影响，因而具有部分重构的特征。
13
Xilinx发布的两个动态局部重构的方法
基于差异（Difference-based）的局部可重构设计：只是比较重构前 后的电路差别，产生一个只包含重构前后设计差别的比特流。
基于模块（Module-based）的局部可重构设计：将电路功能划分成一 个个的模块，这些模块包括可重构模块(可以实现重构的特殊区域)和 固定模块(功能不变不能实现重构的区域)。
FPGA 动态可重构技术则是通过资源的时分复用 ,对功能进行动态配 置 ,来满足大规模应用需要。这样 ,大大提高了FPGA的资源利用率 , 同时降低器件的损坏率 ,这是 FPGA器件的一个新发展方向。
5
典型的FPGA动态可重构原理示意图。
重构配置器
FPGA 正在进行的任务
挂起或执行完的任务
正在配置的任务
于乘法器、算术逻辑单元这些基本的功能单元来说，它们都工作在总 线级，因此粗粒度的可重构系统进行字(Word，由多个位构成)级的操 作。总线级的操作方式非常高效，适合计算密集型的应用。 • 细粒度：基核单元为逻辑门、触发器、查找表等。对于逻辑门、触发 器这些基本的逻辑单元来说，它们都工作在bit级，因此细粒度的重 构操作都是属于bit级的操作，相当具有灵活性，能够更好的控制重 构过程，但配置数据多，配置时间长。
• 核心是一个不可更改的可编程处理器和一个可更 改的数字逻辑组件。F+V体系结构及其软件系统成 为现代可重构系统原型．
• 限于当时的技术条件，Estrin只实现了一个粗糙 的原型系统，但这种结构奠定了以后可重构系统 的核心基础.
3
动态可重构系统的提出
随着数字逻辑系统功能复杂化的需求，单片系统的芯片正朝着超大规 模、高密度的方向发展，一直以来 ，芯片规模都是通过对现有的 FPGA 作累加来扩大 ，这种方法主要面临如下瓶颈: 芯片内部布线有很大困难 ,随着 FPGA门电路总数N增加 ,内部的布线 连接几乎与 N成平方增长; 随着容量的快速增加 ，布线复杂度增加 ，FPGA 的损坏率也随之增 加; 随着系统规模的扩大 ，单片资源的利用率反而下降。
6
功能模块1 功能模块2 功能模块3
一般系统布局
功 能 执 行 顺 序
7
动态局部重构系统布局
不可重构域 功能模块1
总线宏 局部动态重构系统布局
பைடு நூலகம்
可重构域
功能模块2
功能模块3
配执
置行
数 据 流
顺 序
8
重构粒度概念
• 重构粒度：指系统中可重构基核单元操作数的位宽。 • 可重构系统大致可以分为两类： • 粗粒度：基核单元为乘法器、算术逻辑单元ALU等完整功能单元。对
Dynamic Partial Reconfiguration 局部动态可重构
Yongfu Feng
1
主要内容
动态可重构系统的提出 FPGA基本理论 FPGA动态可重构基础理论
2
可重构系统
• 最早的可重构计算机出现在20世纪60年代早期， 是由UCLA大学(University of California at Los Angeles)的Gerald Estrin提出并设计实现的固定+可 变结构计算机(Fixed Plus Variable/F+V Structure Computer).
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软硬件平台
• Xilinx ISE的ProjectNavigator，直接将硬件描述语言综合、绘制、布局、 布线从而产生下载文件，整个过程已经进行了优化，不能实现动态可重构。 必须使用ISE的单独工具Constraints Editor，Floorplanner，FPGA Editor ，iMPACT等来实现可重构，在此软硬件基础上就可以进行FPGA的动态可重构 研究了。
9
FPGA动态可重构技术及设计思想
FPGA动态可重构技术： 指基于静态存储器(SRAM)编程和专门结构的FPGA，在一定的控制逻辑 的驱动下，不仅能实现系统重新配置电路功能，同时还能对芯片逻辑 功能实现高速动态变换。
设计思想： 按功能或时序将整体分解为不同的组合，并根据实际需要，可在系统 运行中对电路功能进行动态配置,分时对芯片进行动态重构，器件外 部特征不变，而内部逻辑时间上交替变换，以小规模硬件逻辑资源来 实现大规模系统时序功能，共同在时间空间上构成系统整体逻辑功能。
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按面积动态重构分类
就动态重构实现面积的不同 ，又可以分为全局重构和局部重构。 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。 局部重构： 对重构器件或系统的局部重新配置，与此同时，其余局部的工作状态 不受影响。局部重构对减小重构的范围和单元数目，大大缩短重构时 间，占有相当的优势。
4
动态可重构系统的提出
从时间轴上来看，系统规模是基于各种逻辑功能模块的组合，各个功 能模块并不是时时刻刻都在工作的，而是根据系统外部的整体要求， 轮流、循环地被激活来工作。因此，系统设计从传统的追求大规模、 高密度的方向，转向了如何提高资源利用率，用有限的资源去实现更 大规模的逻辑设计的方向上来。
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动态可重构系统
配置
可重构逻辑
执行
对于时序变化的数字逻辑系统，其时序逻辑的发生不是通过调用芯 片内不同区域 、不同逻辑资源组合而成的，而是通过对具有专门缓存 逻辑资源的 FPGA 进行局部或全局的芯片逻辑的动态重构而快速实现 的。 动态系统结构的 FPGA 具有缓存逻辑 (Cache Logic) ， 在外部逻 辑的控制下 ， 通过缓存逻辑对芯片逻辑进行全局或局部的快速修改 ， 通过有控制重新布局布线的资源配置来加速实现系统的动态重构 。
FPGA动态重构结构上必须满足以下要求：
不仅具有可重新编程能力，同时可动态进行系统资源地重新配置，而 不会破坏器件中全局或局部逻辑操作能力。
FPGA内部配置信息对称，即在任何时刻、任何通用的基本逻辑功能可 以配置于器件地任何一个位置，运用模型组合去实现设计中的复杂功 能。
基于SRAM结构，由于SRAM的各单元能够单独访问配置，即部分重构。 它们的功能互不影响，因而具有部分重构的特征。
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Xilinx发布的两个动态局部重构的方法
基于差异（Difference-based）的局部可重构设计：只是比较重构前 后的电路差别，产生一个只包含重构前后设计差别的比特流。
基于模块（Module-based）的局部可重构设计：将电路功能划分成一 个个的模块，这些模块包括可重构模块(可以实现重构的特殊区域)和 固定模块(功能不变不能实现重构的区域)。
FPGA 动态可重构技术则是通过资源的时分复用 ,对功能进行动态配 置 ,来满足大规模应用需要。这样 ,大大提高了FPGA的资源利用率 , 同时降低器件的损坏率 ,这是 FPGA器件的一个新发展方向。
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典型的FPGA动态可重构原理示意图。
重构配置器
FPGA 正在进行的任务
挂起或执行完的任务
正在配置的任务
于乘法器、算术逻辑单元这些基本的功能单元来说，它们都工作在总 线级，因此粗粒度的可重构系统进行字(Word，由多个位构成)级的操 作。总线级的操作方式非常高效，适合计算密集型的应用。 • 细粒度：基核单元为逻辑门、触发器、查找表等。对于逻辑门、触发 器这些基本的逻辑单元来说，它们都工作在bit级，因此细粒度的重 构操作都是属于bit级的操作，相当具有灵活性，能够更好的控制重 构过程，但配置数据多，配置时间长。
• 核心是一个不可更改的可编程处理器和一个可更 改的数字逻辑组件。F+V体系结构及其软件系统成 为现代可重构系统原型．
• 限于当时的技术条件，Estrin只实现了一个粗糙 的原型系统，但这种结构奠定了以后可重构系统 的核心基础.
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动态可重构系统的提出
随着数字逻辑系统功能复杂化的需求，单片系统的芯片正朝着超大规 模、高密度的方向发展，一直以来 ，芯片规模都是通过对现有的 FPGA 作累加来扩大 ，这种方法主要面临如下瓶颈: 芯片内部布线有很大困难 ,随着 FPGA门电路总数N增加 ,内部的布线 连接几乎与 N成平方增长; 随着容量的快速增加 ，布线复杂度增加 ，FPGA 的损坏率也随之增 加; 随着系统规模的扩大 ，单片资源的利用率反而下降。
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功能模块1 功能模块2 功能模块3
一般系统布局
功 能 执 行 顺 序
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动态局部重构系统布局
不可重构域 功能模块1
总线宏 局部动态重构系统布局
பைடு நூலகம்
可重构域
功能模块2
功能模块3
配执
置行
数 据 流
顺 序
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重构粒度概念
• 重构粒度：指系统中可重构基核单元操作数的位宽。 • 可重构系统大致可以分为两类： • 粗粒度：基核单元为乘法器、算术逻辑单元ALU等完整功能单元。对
Dynamic Partial Reconfiguration 局部动态可重构
Yongfu Feng
1
主要内容
动态可重构系统的提出 FPGA基本理论 FPGA动态可重构基础理论
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可重构系统
• 最早的可重构计算机出现在20世纪60年代早期， 是由UCLA大学(University of California at Los Angeles)的Gerald Estrin提出并设计实现的固定+可 变结构计算机(Fixed Plus Variable/F+V Structure Computer).
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软硬件平台
• Xilinx ISE的ProjectNavigator，直接将硬件描述语言综合、绘制、布局、 布线从而产生下载文件，整个过程已经进行了优化，不能实现动态可重构。 必须使用ISE的单独工具Constraints Editor，Floorplanner，FPGA Editor ，iMPACT等来实现可重构，在此软硬件基础上就可以进行FPGA的动态可重构 研究了。
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FPGA动态可重构技术及设计思想
FPGA动态可重构技术： 指基于静态存储器(SRAM)编程和专门结构的FPGA，在一定的控制逻辑 的驱动下，不仅能实现系统重新配置电路功能，同时还能对芯片逻辑 功能实现高速动态变换。
设计思想： 按功能或时序将整体分解为不同的组合，并根据实际需要，可在系统 运行中对电路功能进行动态配置,分时对芯片进行动态重构，器件外 部特征不变，而内部逻辑时间上交替变换，以小规模硬件逻辑资源来 实现大规模系统时序功能，共同在时间空间上构成系统整体逻辑功能。
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按面积动态重构分类
就动态重构实现面积的不同 ，又可以分为全局重构和局部重构。 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。 局部重构： 对重构器件或系统的局部重新配置，与此同时，其余局部的工作状态 不受影响。局部重构对减小重构的范围和单元数目，大大缩短重构时 间，占有相当的优势。
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动态可重构系统的提出
从时间轴上来看，系统规模是基于各种逻辑功能模块的组合，各个功 能模块并不是时时刻刻都在工作的，而是根据系统外部的整体要求， 轮流、循环地被激活来工作。因此，系统设计从传统的追求大规模、 高密度的方向，转向了如何提高资源利用率，用有限的资源去实现更 大规模的逻辑设计的方向上来。
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动态可重构系统
配置
可重构逻辑
执行
对于时序变化的数字逻辑系统，其时序逻辑的发生不是通过调用芯 片内不同区域 、不同逻辑资源组合而成的，而是通过对具有专门缓存 逻辑资源的 FPGA 进行局部或全局的芯片逻辑的动态重构而快速实现 的。 动态系统结构的 FPGA 具有缓存逻辑 (Cache Logic) ， 在外部逻 辑的控制下 ， 通过缓存逻辑对芯片逻辑进行全局或局部的快速修改 ， 通过有控制重新布局布线的资源配置来加速实现系统的动态重构 。