FPGA器件在线配置方法概述

目录

1.配置电路结构和原理

2.ICR控制电路软件

3.几种常见的FPGA在线配置方法

3.1 动态部分重配置（Partial Reconfiguration, PR）

3.2 在系统编程（In-System Programming, ISP）

3.3 多比特流配置（Multi-Bitstream Configuration）

3.4 远程更新与配置

3.5 使用OpenCL或HLS工具

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       FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）器件的在线配置，也被称为动态重配置或在线编程，是指在FPGA已经部署并运行在系统中时，无需断电或重启，即可对其内部逻辑进行重新配置的过程。这一功能使得FPGA能够根据运行时需求灵活地改变其功能，增强了系统的灵活性和适应性。

1.配置电路结构和原理

       PC机与单片机的接口如图2所示。AT89C2051单片机通过串行口直接接收PC机传送来的串行数据，然后把接收到的数据存入数据存储器。由于PC机的串行口都是RS-232C标准的接口，所以，其输入输出在电平上和采用TTL电平的AT89C2051在接口时会产生电平不同的问题。为了解决这个问题，在PC机和单片机的串行通信电路中加入了MAX232芯片，以实现TTL电平和RS-232C接口电平之间的转换。这样PC机和AT89C2051单片机进行串行通信时就可以顺利进行了。除了电路结构之外，要实现PC机和AT89C2051之间的通信，还需要有合适的通信软件。 

       ICR控制电路的工作过程为：经MAXPLUS II编译生产的配置文件(.sof)通过格式转换成为 (.rbf)。然后，利用PC机端的控制程序，通过PC机的串行通信口，经U1存储在U2中。U1再根据系统的要求，通过P1.2、P1.3、P1.4、P3.0和P3.1等5个I/O口，将其存储在U2中的配置数据下载到电路中的FPGA器件中去。 

2.ICR控制电路软件

      在图介绍的ICR控制电路中，其存储FPGA配置数据的存储器 AT24C256采用I2C串行总线进行数据交换。其数据交换速度较慢，而FPGA配置数据又比较大，因此如何提高图3介绍的ICR控制电路的配置速度将是软件设计上的一个重点。限制速度的瓶颈主要是从AT24C256读取数据和将数据写入FPGA器件中。从AT24C256读取数据，有读当前地址、随机读和顺序读三种方式。这三种方式中，顺序读最简单、速度最快。因为在同一片AT24C256中，仅需要写入一次读命令就可以按顺序从0地址开始直至读完整片AT24C256中的全部数据。

       向FPGA器件写数据时，可以使用串行口的移位寄存器工作方式，即方式0。方式0数据的传送以8位为1帧，无论是发送或是接收都是最低有效位居先。这和FPGA对数据的要求一致，传送的波特率固定为振荡频率的1/12。本系统只需用到输出方式，串行数据通过RXD端输出，而用TXD端输出移位脉冲。当1字节数据写入串行数据缓冲器SBUF时，就开始发送。在此期间，发送控制器送出移位信号，使发送移位寄存器的内容右移1位，直至最高位(D7位)移出后，停止发送数据和移位时钟脉冲。发送完1字节数据后，硬件置发送标志位TI为1，通过判断TI的状态决定是否向SBUF写入数据。采用这种方式比采用普通（I/O）口要快很多。 

3.几种常见的FPGA在线配置方法

3.1 动态部分重配置（Partial Reconfiguration, PR）

      动态部分重配置允许在不中断整个FPGA工作的情况下，只更新FPGA内部的部分逻辑区域。这意味着，即使系统正在运行，也可以加载新的配置数据来改变FPGA的部分功能。部分重配置的实现通常涉及以下几个关键步骤：

区域划分：首先，FPGA被划分为可重配置区域和固定功能区域。

配置模块设计：为可重配置区域设计独立的配置模块，这些模块可以在运行时加载。

重配置控制器：设计一个控制逻辑，负责管理和协调重配置过程，包括配置数据的加载和验证。

加载配置数据：通过JTAG、PCIe、Ethernet等接口，将新的配置数据加载到FPGA指定的重配置区域内。

3.2 在系统编程（In-System Programming, ISP）

       在系统编程是一种较广义的在线配置方法，允许用户在FPGA已经安装到目标板上之后对其进行编程。虽然通常指的是设备出厂后的初次配置，但也可用于某些类型的在线更新。ISP通常通过专用的编程接口（如JTAG）进行，但并不局限于部分重配置，而是可以覆盖整个FPGA。

3.3 多比特流配置（Multi-Bitstream Configuration）

       这种配置方法允许FPGA加载并存储多个配置比特流，根据系统运行时的需求切换不同的配置。每个比特流对应FPGA的不同功能配置，通过软件控制选择加载哪个配置，从而实现功能的动态切换。这种方式需要FPGA具有足够的内部存储空间来存放多个配置文件。

3.4 远程更新与配置

        现代FPGA设计经常支持通过网络接口（如Ethernet）远程进行在线配置更新。这种方式便于维护和升级，特别是在部署于远程地点或不易访问的设备上。安全性是远程配置中的一个重要考量，通常需要加密通信和认证机制来保护配置数据。

3.5 使用OpenCL或HLS工具

      现代FPGA设计工具如OpenCL for FPGA或高层次综合（High-Level Synthesis, HLS）工具，允许开发者使用高级语言（如C/C++）编写算法，然后自动转化为FPGA配置文件。虽然这些工具主要是为了提高开发效率，但它们也支持一定程度的在线重配置，通过编译生成不同的比特流并按需加载。

       FPGA的在线配置技术极大地扩展了其应用范围，使得系统能够适应不断变化的需求，实现更高级别的灵活性和效率。选择哪种在线配置方法取决于具体的应用需求、系统架构以及对实时性、资源消耗和安全性的考量。随着FPGA技术和相关工具的不断进步，未来的在线配置将变得更加高效和便捷。