基于FPGA的动态可重构体系结构

一种基于FPGA的可重构计算系统设计引言：近年来，随着计算机科学和技术的快速发展，人们对于计算系统的需求也日益增加。

可重构计算系统作为一种特殊的计算机体系结构，能够在运行时改变其功能和结构，以适应不同的应用需求。

其中，基于FPGA的可重构计算系统凭借其高度灵活、高性能的特点成为研究的热点之一一、可重构计算系统基本概念可重构计算系统是一种结合了硬件和软件的计算机体系结构。

它有两个关键的特点：一是硬件架构的可变性，即可以在运行时对硬件进行重新配置从而改变其功能和结构；二是能够根据任务进行定制化配置，即针对特定应用场景进行定制设计。

二、FPGA的基本原理FPGA（Field Programmable Gate Array）是可编程门阵列的简称，是一种可重构的数字集成电路。

FPGA由大量的逻辑块、存储器单元和互连通道组成，用户可以通过在FPGA上编程，将逻辑门和互连通道配置成各种不同的电路，从而实现不同的功能。

1.硬件层面设计：在基于FPGA的可重构计算系统中，需要考虑以下硬件设计方面：（1）逻辑单元设计：根据具体应用需求，设计逻辑单元以实现特定的逻辑功能。

（2）互连通道设计：根据逻辑单元之间的通信需求，设计合适的互连通道，以保证高效的数据传输。

（3）存储器设计：设计合适的存储器单元，用于存储中间结果或者配置信息。

（4）时钟设计：设计合适的时钟分配方案，以保证系统的稳定性和性能。

2.软件层面设计：在基于FPGA的可重构计算系统中，需要考虑以下软件设计方面：（1）编程模型设计：设计适合系统特点的编程模型，以便用户能够根据需求进行编程。

（2）编译器设计：设计针对该系统的特定编译器，将高级语言代码转换为硬件描述语言。

（3）运行时支持设计：设计系统运行时的支持环境，例如任务调度、内存管理等。

3.性能优化：在设计基于FPGA的可重构计算系统时，需要考虑性能优化的问题，例如：（1）并行计算：利用FPGA的并行计算能力，设计合适的并行算法和任务划分方案，提高系统的计算性能。

基于动态部分可重构FPGA的计算机组成原理实验平台设计一、引言现代计算机架构的发展离不开硬件设备的基础支撑，而FPGA （Field Programmable Gate Array）可编程门阵列芯片的出现，极大地拓展了计算机硬件设计的灵活性与可扩展性。

然而，传统静态FPGA由于其电路架构固定，难以适应随着软硬件的发展而越来越多的实际应用需求。

因此，近年来动态部分可重构FPGA在计算机组成原理领域引起了广泛关注。

本文主要探讨基于动态部分可重构FPGA的计算机组成原理实验平台的设计。

二、动态部分可重构FPGA的技术实现动态部分可重构FPGA技术实现，主要是通过将FPGA内部电路划分为多个小块，采用CMOS开关与继电器等元器件相结合，实现电路块之间的动态重构。

具体来说，在动态部分可重构FPGA中，每个电路块既可以被看作是一个可编程逻辑单元（PLU），也可以被看作是一个开关单元（SWU）。

在PLU模式下，该电路块可以被编程为任何逻辑电路，相当于传统FPGA中的逻辑单元；在SWU模式下，该电路块可以接通或切断开关，从而改变电路的连接方式，实现FPGA内部动态重构的功能。

这种动态重构的能力使得FPGA能够根据应用实时调整电路连接方式，进而提升可编程性与计算性能。

三、基于动态部分可重构FPGA的计算机组成原理实验平台为探究动态部分可重构FPGA在计算机组成原理方面的应用，需要设计一个实验平台。

该实验平台需满足以下要求：1. 实时调整逻辑电路实验平台需要支持实时调整逻辑电路，以测试动态部分可重构FPGA的动态重构能力。

2. 可模拟计算机硬件实验平台需要支持计算机硬件的模拟，以进行计算机组成原理实验，如模拟CPU、寄存器等。

3. 易于使用与控制实验平台需要易于使用与控制，接口友好，可以方便实验者进行调试和控制。

为满足以上要求，我们可以考虑设计一个模拟CPU的实验平台。

该实验平台包含以下功能模块：1. 可编程逻辑单元（PLU）PLU是实验平台中最重要的模块，主要用于动态构建计算机硬件中的逻辑电路，比如MIPS指令集。

论文阅读理论方式总结Yongfu feng一．FPGA动态可重构基础理论严格来讲，系统重构的概念可分为静念系统重构和动态系统重构。

静态系统重构是指目标系统的逻辑功能静态重载，即FPGA芯片功能在外部逻辑的控制下，通过存贮于存贮器中不同的目标系统数据从头下载，而实现芯片逻辑功能的改变。

也就是指系统中PLD逻辑的静态重载，在系统空闲期间通过各类方式进行在线编程，而不是在其他部份动态运行时重载。

1.1动态可重构概念及原理动态重构系统概念的提出早于FPGA动态可重构技术的提出。

动态重构系统指对于时序转变的数字逻辑系统，其时序逻辑的发生，不是通过挪用芯片内不同区域、不同逻辑资源来组合而成的，而可通过对具有专门缓存逻辑资源的FPGA，进行局部的和全局的芯片逻辑的动态重构而快速实现。

也就是指在系统实时运行当中对FPGA的逻辑功能实时地进行动态配置，能够只对其内部需要修改的逻辑单元进行从头配置，没有被修改的逻辑单元将不受影响，正常工作。

一般由传统处置器执行主程序，特定的任务赋给以FPGA为基础的协处置器以加速它们的执行。

事实上，在大部份处置时刻内，只有相对较小的一部份用来计算内部任务，而硬件能够显著加速执行的时刻。

在重构的进程中，按照需要，任务能够互换进入协处置器进行处置。

所谓FPGA动态可重构技术，是指基于静态存储器(SRAM)编程和专门结FPGA，在必然的控制逻辑的驱动下，不仅能实现系统从头配置电路功能，还能对芯片逻辑功能实现系统的高速动态变换。

大多数FPGA都是基于SRAM查找表结构，它们一般只适用于静态重构，向SRAM一次下载全数配置数据而设定FPGA的逻辑功能。

按照FPGA的、配置方式等不同，全数重构时刻为几毫秒到几秒不等。

过去大家普遍进行重构研究的FPGA主要有，Xilinx的XC6200系列、和Atmel的AT6000等。

它们也是基于SRAM结构，可是SRAM的各单元能够单独访问配置，分重构。

它们的功能互不影响，因此具有部份重构的特征。

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]。

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。

基于FPGA的动态可重构技术的WSN安全系统设计
1 引言
无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。

传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。

针对无线传感器网络存在的上述安全问题，本系统在Xilinx的开发板上，首先利用无线模块组成一个无线传感器网络，并基于SPINS协议框架实现了网络内的密钥管理，在系统内部的安全模块内实现了RC5,MD5等算法，保证网络的通信安全；其次为了保证传感器网络中节点本身的安全可信，增加了防篡改检测电路，从硬件级保证节点的安全性和完整性；最后针对于WSN网络的拓扑结构易变的特点，利用基于FPGA的可重构计算技术，使得网络内的某些节点在需要时可以发生重构，代替失效的基站继续工作，从而保证整个网络安全可靠地运行。

整个系统以WSN中单个节点的安全可信为基础，并采用SPINS协议提高了密钥拓扑连通率，节点的可重构机制也大大增强了网络的安全性和健壮性，由点到面地实现了WSN网络的安全。

2 系统方案
2.1 WSN网络拓扑结构
本系统采用的网络结构（图1）为分布式单跳簇网络结构，基站为单跳簇子网的中心，各个基站之间形成分布式网络。

图1：WSN网络拓扑结构
2.2 WSN密钥管理协议
SPINS密钥管理协议是在无线传感器网络中应用广泛的一种密钥管理协议，适用于规模比较小的传感器网络。

本系统基于SPINS协议的框架，实现了一个简单的密钥分发协议。

基于FPGA的动态可重构系统设计与实现0 引言由于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。

对于一个大规模的数字系统而言，系统规模是基于各种逻辑功能模块的组合。

但是，无论是时序逻辑系统，还是组合逻辑系统，或者组合／时序混合系统，从时间轴上来看，系统中的各个功能模块并不是时刻都在工作，而是根据系统外部的整体要求，轮流或循环地被激活或工作。

并且，随着数字逻辑规模的扩大，在相同速度条件下，在一定的时间区间，其功能模块的平均使用率将下降。

因此，系统设计应该从传统追求大规模、高密度的方向，转向如何提高资源利用率，用有限的资源实现更大规模的逻辑设计上来。

可重构计算技术能够提供硬件的效率和软件的可编程性，它综合了微处理器和ASIC 的特点，在空间维和时间维上均可变。

1 可重构技术概述1．1 可重构的定义可重构就是在电子系统的工作状态下，动态地改变电路的结构。

这主要通过对系统中的可编程逻辑器件进行重新配置或者局部重新配置来完成。

利用可重构技术，能在只增加少量硬件资源的情况下，使系统同时具有软件实现和硬件实现的优点。

1．2 可重构方式的分类按照重构的方式，系统重构可以分为静态系统重构(Static Reconfiguration)和动态系统重构(Dynamic Reconfiguration)。

1．2．1 静态系统重构静态系统重构是指目标系统的逻辑功能静态重载，只能在运行前配置的系统，如图1 所示。

FPGA 功能在外部逻辑的控制下，通过存储于存储器中不同的目标系统数据重新下载，从而实现芯片逻辑功能的改变。

1．2．2 动态系统重构动态系统重构是指能在运行过程中实时配置的可重构系统，如图2 所示。

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。

基于FPGA的可重构计算架构研究近年来，随着科技的不断发展和进步，信息技术已经成为人类社会中最重要的部分之一。

智能控制、图像处理、高性能计算等领域的数字信号处理应用需求日益增长，传统的计算机处理器已经不能满足这些需求。

可重构计算架构技术应运而生，成为了数字信号处理的重要技术手段之一。

基于FPGA的可重构计算架构就是其中比较常见的一种。

一、FPGA的基本概念FPGA（Field-Programmable Gate Array），中文翻译为现场可编程门阵列，是一种可编程逻辑器件。

与ASIC（Application Specific Integrated Circuit）专用芯片不同，FPGA是一种基于可编程单元的可重构结构。

FPGA可以根据用户的需要进行重新设计、重新配置，从而用于不同领域的数字信号处理应用。

二、FPGA的原理和结构FPGA是由可编程单元（Logic Cell）、输入/输出块（I/O Block、即输入输出端子）和可编程互连资源（Programmable Interconnect）构成的。

可编程单元是FPGA中最基本的逻辑单元，可以根据用户需求进行编程实现不同逻辑函数。

输入/输出块用于与外界电路进行连接，可编程互连资源则用于连接可编程单元和I/O Block，实现CPLD（Complex programmable logic device）的交叉互连功能。

三、FPGA的应用领域及优点FPGA具有灵活性高、性能优秀、功耗低等优点，被广泛应用于计算机、通信、数字信号处理等各个领域。

由于其可以根据用户需要进行重新编程，可以完成不同的应用任务，所以被认为是一种“可重构计算架构”。

在视频处理、音频处理、图像处理等领域中，FPGA的应用可以提供更高的性能和更低的功耗。

四、FPGA的可重构计算架构在FPGA的基础上，人们设计出了基于FPGA的可重构计算架构，使其可以更灵活、高效地完成数字信号处理任务。