一种基于FPGA的可重构计算系统设计

fpga除法运算FPGA（Field Programmable Gate Array）是用于数据处理、数字信号处理、调制解调、高速通讯等领域的一种可重构的现场可编程门阵列芯片。

它通过可编程的硬件逻辑资源来实现各种功能，包括了数字电路中的算数逻辑单元（ALU）。

在数字设计中，除法是一种非常重要的算术运算，而FPGA中的除法是属于整数除法。

因为浮点除法很难用硬件实现且复杂度很高，所以FPGA中的除法大多是整数除法。

在FPGA中实现除法有两种方法:1. 直接方法：直接使用除法器，这种方式的局限性比较大。

2. 迭代法：将除法转化为乘法，每次计算一位，比较灵活。

下文将详细介绍迭代法。

迭代法的基本思路是将被除数逐位移位，不断进行减法运算，直到除数小于被除数，就得到了商和余数。

因为每次只需要减去一个二进制数，因此运算速度会比使用除法器快一些。

FPGA中的除法可以使用两种方法：恒定除法和非恒定除法。

1. 恒定除法：被除数和除数的位数是恒定的，即所有数码相乘的结果按照一定规律进行加法运算。

2. 非恒定除法：被除数和除数的位数不确定，需要不断移位和相减以获得余数和商，这需要使用迭代方法。

原理介绍：FPGA中的迭代法除法通常采用的是高斯-约旦算法。

该算法的基本原理是使用几个数码相等的跨度，通过移位和加减运算进行迭代循环，将大数除以小数，得到除数和余数。

这个过程就是高斯-约旦算法，也被称为尾数规制法。

这种算法要求被除数和除数都是非负的，通过对两个正整数之间的无限不循环小数进行近似，将除法问题转化为乘法问题。

算法步骤：1. 消除除数最高位不为1的情况。

2. 对于每一位，将被除数左移一位并减去除数。

如果差值为负数，那么这一位就标记为0，否则标记为1，余数也会减去这个值。

3. 重复以上步骤，直到被除数小于除数，并得到商和余数。

举个例子来说明具体的计算过程：假设被除数为1101，除数为0110，如下所示。

- 首先从除数的最高位开始，找到最高的1（此例中是第二位）。

可重构Keccak算法设计及FPGA实现作者：吴武飞王奕李仁发来源：《计算机应用》2012年第03期摘要:在分析研究Keccak算法的基础上,针对现有Keccak算法的硬件实现方案版本单一,应用不灵活的问题,设计了一种高性能可重构的Keccak算法硬件实现方案。

实验结果表明:该方案在Xilinx 公司的现场可编程门阵列平台上的时钟频率可达占用该方案具有吞吐量高应用灵活性好,可支持4种不同参数版本的优点。

关键词:Keccak算法;海绵结构;哈希算法;可重构;现场可编程门阵列中图分类号: TP332.1 文献标志码:AReconfigurable Keccak algorithm and its implementation on FPGA platform1.Embedded Systems and Networking Laboratory, Hunan University, Changsha Hunan 410082,2.Hunan Province Graduate Innovation Base, Hunan University, Changsha Hunan 410082,3.Hunan Province Key Laboratory of Network and Information Security, Hunan University, Changsha Hunan 410082, ChinaAbstract:Based on the analysis of Keccak algorithm, concerning the situation that the existing hardware implementations of Keccak algorithm lack of flexibility and could only support one version, this paper proposed a new reconfigurable Keccak hardware implementation, which could support four versionsbeing ported to Xversions.Keccak algorithm;sponge structure;Hash algoArray (FPGA)0 引言安全散列算法是由美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)于1993年发布的一种数据加密算法。

基于模块化设计方法实现FPGA动态部分重构动态部分重构可以通过两种方法实现：基于模块化设计方法(Module-BasedParTIalReconfiguration)和基于差别的设计方法(Difference-BasedPartialReconfiguration)，本文以基于模块化设计为例说明实现部分重构的方法。

1FPGA配置原理简介本文针对Xilinx公司的FPGA进行研究，支持模块化动态部分重构的器件族有Virtex/-II/-E和Virtex-IIPro。

Xilinx公司FPGA是基于SRAM工艺的，包括配置逻辑块(CLBs)，输入输出块(IOBs)，块RAMs，时钟资源和动态部分重构可以通过两种方法实现：基于模块化设计方法(Module-Based ParTIal Reconfiguration)和基于差别的设计方法(Difference-Based Partial Reconfiguration)，本文以基于模块化设计为例说明实现部分重构的方法。

1 FPGA配置原理简介本文针对Xilinx公司的FPGA进行研究，支持模块化动态部分重构的器件族有Virtex/-II/-E和Virtex-II Pro。

Xilinx公司FPGA是基于SRAM工艺的，包括配置逻辑块(CLBs)，输入输出块(IOBs)，块RAMs，时钟资源和编程布线等资源[2]。

CLBs是构造用户所需逻辑的功能单元，IOBs提供封装引腿与内部信号引线的接口。

可编程互连资源提供布线通道连接可配置元件的输入和输出到相应的网络。

存储在内部配置存储器单元中的数值决定了FPGA实现的逻辑功能和互接方式。

Virtex FPGA的配置存储器是由配置列(Configuration Columns)组成的，这些配置列以垂直阵列的方式排列，如图1给出了Virtex-E XCV600E器件的配置列构成图。

配置存储器可分为五种配置列：Center 列包含四个全局时钟的配置信息;两个IOB 列存储位于器件左边和右边所有IOBs的配置信息;CLB列存储FPGA基本逻辑功能的配置信息;Block SelectRAM Content列存储内部块RAM的配置信息;Block SelectRAM Interconnect列存储内部块RAM间互联的配置信息[3]。

fpga现代数字系统设计教程——基于xilinx可编程逻辑1. 引言1.1 概述:在当今数字系统设计领域，快速、高效的设计流程和可靠的硬件实现是至关重要的。

而可编程逻辑器件（FPGA）作为一种灵活且可重构的芯片，正逐渐成为数字系统设计中的主流选择。

本教程将介绍如何利用Xilinx可编程逻辑来进行现代化数字系统设计。

1.2 文章结构:本文将按照以下方式组织内容：第二部分将对FPGA进行概述，包括可编程逻辑器件简介以及Xilinx FPGA的介绍。

此外，我们还将探讨FPGA在数字系统设计中的各种应用。

第三部分将回顾一些基本原理，并提供如何搭建开发环境的指南。

其中包括对数字电路基础知识的回顾、VHDL语言简介和基础语法，以及Xilinx Vivado工具的安装与配置方法。

第四部分将详细介绍FPGA设计流程与实践技巧。

我们会讲解项目创建与工程管理方法，并探讨如何实现模块化设计和代码重用性提高的技巧。

另外，还会介绍仿真与验证技术在FPGA设计过程中的应用。

第五部分则涵盖了一些高级主题与应用案例分析。

我们将重点讨论并行计算与加速器设计、数据通信与嵌入式系统设计以及高精度数据处理系统设计等领域的案例分析，并提供相应的实践指导。

1.3 目的:本教程通过详细讲解FPGA现代数字系统设计的流程和技巧，旨在帮助读者全面了解FPGA在数字系统设计中的应用，并提供实用的指导和建议。

通过学习本教程，读者能够掌握从开发环境搭建到高级应用案例分析所需的知识和技能，为他们日后在数字系统设计领域取得成功打下坚实基础。

无论是初学者还是有经验的工程师，都能从本教程中获益，并将其应用于自己的项目中。

2. FPGA概述:2.1 可编程逻辑器件简介:可编程逻辑器件（FPGA）是一种基于可重新配置数字电路的集成电路芯片，它可以实现用户定义的数字逻辑功能。

与传统的定制集成电路（ASIC）相比，FPGA 具有灵活性强、开发周期短和可重构性等优势。

64电子技术Electronic Technology电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering体功能实现方面，设计人员应立足于不同软件、网页的行业需求对导航栏、返回、信息提示框等方面进行悬浮型或是方框形的提示信息和窗口，并对多种软件图标以及展示界面进行上下级的任务链接，从而使用户能够在短时间内熟悉界面操作并完成交互指令和功能操作。

在对UI 视觉审美交互性进行设计时，主要是对文字、视频以及图标等视觉要素进行设计，并按照上下、垂直、左右以及居中等方式对其进行排班，便于用户检索需求。

另外，为使设备与用户能够更好的进行交互，对于窗口以及图标等方面的线条应尽量选择柔和的，同时，根据空间要素不同对功能区域之间的间隔进行设计，满足用户在软件产品操作过程中的心理需求[6]。

以中界面框架为例，在对其进行UI 界面交互式设计时，在保证交互功能的基础上需要保证各个设计和功能的协调性。

为此，可以采取上下结合的布局方式对UI 界面进行设计。

主要是将导航栏设计在界面最上方，并将关键信息放在导航栏上，从而使用户能够通过触摸、滑动或是点击导航栏进而快速进行信息检索或是浏览，并将网址放在上面，满足用户的功能使用。

在界面下方应设计图标按钮，通过点击和触摸能够直接打开软件，满足用户使用的多种需求。

除此之外，还可以使用导航栏在下放、展示页面在上方的界面布局。

在该布局方式中，主要是将重要信息设计在用户第一眼可以注意到的位置，从而更好的进行信息推送和交互，为此，应将导航栏设计在UI 界面下方。

在该布局下，用户只需要进行交互界面的滑动，或是对导航栏进行滑动、点击，就能够完成功能获取或是浏览等操作。

以微信UI 信息界面为例，最近使用的小程序图标为放置在最上方，而导航栏被设计在最下方，通过下滑，用户能够直接获得最近使用的小程序应用，满足其快速使用需求。

另外，为满足用户的使用需求，便于新用户使用，可以进登陆窗口设计在软件最上层，并使用箭头、文字等元素对用户进行引导，从而完成用户交互操作行为的同时，给予用户良好的使用体验。

F PG A的可重构测控系统应用设计3■泰山学院 王春玲　刘磊　摘　要可重构器件技术的发展和测控系统结构模式的通用化是实现可重构测控系统的前提。

通过对常规计算机测控系统存在的问题、结构模式和多任务特征以及可重构器件技术发展的分析,提出基于FPGA器件设计可重构测控系统平台的设想,对可重构测控系统设计原则、硬件结构单元设计和软件重构方法进行了分析,并给出应用于雷达信号实时侦测的基于CPCI总线的可重构测控系统硬件设计的实例。

　关键词可重构测控系统可重构器件可重构主控制器雷达信号侦测1可重构测控系统的提出测控系统一般是指基于计算机实现数据采集和控制的系统。

测控系统在工业现场控制、家庭数字化管理、通信和网络等方面应用广泛,并不断向低成本、高速、高性能、智能化、开放化方向迈进。

但现代测控系统在设计和应用中仍然面临不少的难题:①设计速度难以适应产品更新换代的快速变化。

一般测控系统的设计都是针对某个特定的任务,从设计到投入使用的周期至少1～2年,甚至长达4～5年。

因此,在设计阶段堪称先进的方案往往在投入使用伊始就已落后了。

②设计方案功能固定,通用性差,难以满足不同层次、不断变化的用户需求。

测控系统设计针对具体用户,配置各异,通用性较差。

如何满足不同用户、不同层次的需要,尤其是多任务用户需要是一大难题。

③虚拟仪器技术的应用使得软件重构成为可能,但是达到还难以达到硬件重构和“即插即用”的效果。

因此,研究一种软硬件可重构、开放化、普适性的测控系统,对于实现测控系统的快速、开放式设计,降低用户使用成本具有很高的应用价值。

本文基于现代测控系统的通用化结构特征和可重构的现场可编程门阵列FPGA技术的发展,提出一种可重构测控系统(Reconfigurable Mo2 nito ring System,RMS)的设计构想,并给出其应用实例。

1.1　测控系统的结构模式和多任务特征随着计算机软硬件技术和测控技术的不断深入融合,现代测控系统在结构上呈现出通用化特征,即“系统前端3泰山学院科研立项重点项目(项目编号622)。