动态可重构技术在嵌入式计算机中的应用

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摘要：在降低嵌入式计算机功耗、体积方面，动态可重构技术具有积极的作用。在计算机硬件设备的运行过程中，动态可重构技术可根据计算任务的不同实现不同的功能，使系统软硬件资源得到充分利用。该文对动态可重构技术进行分析，并探讨动态可重构技术在嵌入式计算机中的应用，为嵌入式计算机的发展提供参考。

关键词：动态可重构技术；嵌入式计算机；FPGA；应用

中图分类号：TP313 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）22-5373-02

随着工业生产 、工作环境的日益复杂，计算机的任务需求逐渐增加。未来了满足多样的任务需求，需要嵌入式计算机系统的更新、完善，系统变得更加复杂。而发展的嵌入式计算机系统导致计算机功耗、体积的不断增长，使开发周期随之延长，也随之增加了研发成本。在高新技术的引导下，FPGA得以快速发展，为解决电子系统的高功耗、大型等问题提供条件，使电子系统向低功耗、小型化、高可靠性方向发展，并由于其自身的芯片成本低、开发周期短等优势，在嵌入式计算机中被广泛应用。近几年，动态可重构技术在嵌入式计算机中广泛应用，通过FPGA的重配置使逻辑功能，减少系统的功耗、体积，提高硬件资源的利用率。

1 动态可重构技术概述

可重构指的是，当电子系统处于工作状态时，通过局部重新配置、重新配置电子系统中的可编程逻辑器件，实现对电路结构进行动态的改变。根据重构方式，可将系统重构分为两种形式，即动态系统重构、静态系统重构。[1]在系统运行的过程中，系统进行配置，则成为动态系统重构，而系统在运行前进行配置，则为静态系统重构。

分析动态可重构，在其数字逻辑系统中，通过对FPGA进行全部或局部的动态重构，以此产生时序逻辑，省去芯片内区域资源的组合，使系统动态可重构可靠、便捷。同时，在动态系统中，缓存逻辑以FPGA的方式实现，达到对芯片逻辑的快速修改，并通过资源配置对系统进行动态重构。按照动态重构实现的面积，可将其分为局部重构、全局重构，局部重构是重新配置重构系统、部件的局部，不影响其余局部的工作状态，减少重构的单元数据与范围，相应地减短了重构时间。全局重构则只能全部重构FPGA系统、器件，需要进行全过程、全部件的重构。

2 动态可重构方法

2.1 部分可重构方法

对于部分可重构而言，在系统运行的过程中，对部分硬件资源进行动态配置，而对其他部分正常运行不造成影响。在部分可重构方法中，将FPGA系统分为两部分，分别是可重构区域和静态区域。[2]可重构区域指的是在FPGA中，可进行动态重构配置的区域，而静态区域主要包括关键性任务、基本组件。而图1即为FPGA部分可重构结构图，

目前，主要通过三种方案实现部分可重构，一是，依据硬件宏差异所实施的部分可重构方案，对于这种方案，应先初始化的概括系统，并描述系统中的所有硬件宏。而对于电路的LUT内容的获取，可按照具体算法进行，然后通过FPGA编辑器对LUT的配置信息进行生成，并在FPGA中进行运行。[3]二是，基于模块化的技术方案，在该方案中，在系统运行前，应根据FPGA的不同功能，对其进行模块划分。对FPGA电路进行划分后，便可利用顶层文件，通过系统控制，生产配置文件，然后利用FPGA，下载完整的配置信息，应进行运行，并在运行过程中进行不断的控制、配置，在运行后期，替换某些动态模块。三是，基于bitstream的技术方案， 在配置存储器中，以帧的形式对FPGA的编程信息进行保存，在运行的过程中，当某个LUT需要修改时，系统先将对一个的帧进行寻找，然后将整个帧读取下来，进行准确修改，实现动态配置。 [4]综上所述，对于部分可重构方法而言，其通过对FPGA硬件资源的分时复用，提高了资源了使用率，提高了系统的灵活性。

2.2 软件可编程重构方法

该方法利用软件方法、IP重用技术，实现动态可重构。在FPGA开发中，利用软件化控制方法，并通过IP重用技术，实现FPGA动态可重构系统的快速开发。通常情况下，对于软件可编程重构方法而言，软件代码是在外部通用处理器或嵌入式处理器中执行的，从而改变数据路径的连接与控制组件的功能配置，对嵌入式系统实现动态可重构，其FPGA框架如图2所示。

在软件可编程重构的FPGA框架中，实现数据层的构建与组件功能的配置则需要数据交换网络和专门的控制接口。在组件间连接关系的动态配置中，需要数据交换给予支持，而对于处理器命令的接受则需要控制接口进行，以此实现对功能组件的重配置。此外，迅速开发软件可编程重构方法的FPGA系统，需要多种技术支撑，主要包括控制接口、通用接口、系统集成工具等。[5在该方法的硬件结构中，控制接口是重要接结构，起到控制数据路径的作用，同时实现对组件功能的动态配置。]通用接口为组件间的相互通信提供方便。

3 动态可重构技术在嵌入式计算机中的应用

3.1 可重构计算机系统

在部分可重构方法的基础上，利用IP重用技术、多核技术，可对计算机系统进行重组，设计如图3所示的新型可重构计算机系统。

在此系统结构中，通过高速光纤网络互联在各个处理单元的利用，组成具有综合核心处理功能的计算机系统，实现良好的计算功能。同时，各处理模块间数据间的高速传输，可通过各交换模块实现。

3.2 技术应用

对于嵌入式计算机而言，动态可重构技术的应用，通过FPGA通用高速交换网络的互联，组成具有可扩展性、高灵活性、高性能的处理结构。在该结构中，根据系统的具体任务要求，对FPGA逻辑资源进行动态配置以此实现资源的最优组合。同时，利用NOC技术可实现芯片内部的片上交换网络，也是IP核之间的连接更为方便，是点对点的通信连接成为可能，从而提高了交互网络的扩展性。 [6]在FPGA内部，还为计算机系统了可重构接口和微处理核，为芯片的多任务的重配置和自主控制给予支持。此外，为了降低嵌入式系统的开发风险与开发周期，IP重用技术的使用成为关键，利用可重用的IP核，实现FPGA芯片的基础组件，如中断控制器、通信接口、存储器等，也使系统的可复用性增强，便于快速开发嵌入式计算机系统。

动态可重构嵌入式计算机，通过可编程逻辑芯片，配置系统处理资源，在同一硬件模块中，需求的不同，其所需的执行功能也不同。因此，应按照具体的应用需求进行合理的功能执行，使系统的灵活性得以增强。同时，不同功能模块利用同一硬件模块，提高了资源使用率，可使硬件模块的种类得到相应减少，使嵌入式计算机的Swap得以降低。

4 结束语

伴随着数字逻辑系统功能的复杂化要求，系统规模逐渐向高密度、大规模的方向发展。然后，在大规模的数字系统中，在各种逻辑功能模块的基础上形成了系统规模，降低了功能模块的平均使用率。为了提高资源利用率，实现更大规模的逻辑设计，动态可重构技术的利用成为关键，它在系统运行的过程中，对资源进行配置，利用部分可重构方法、软件可编程重构方法，合理配置数据路径、组件功能，提高资源利用率，系统向低功耗、小型化、高可靠性方向发展，使嵌入式计算机的未来发展具有广阔前景。

参考文献：

[1] 彭晓明，庞建民，郭浩然. 动态可重构技术研究综述[J]. 计算机工程与设计，2012（12）：4514-4519.

[2] 赵谦，赵小冬，刘作龙. 机载嵌入式动态可重构计算机设计[J]. 航空计算技术，2013（2）：113-116+119.

[3] 王仪洁，王烈，许晓洁. 基于FPGA的局部动态可重构技术研究[J]. 集成技术，2013（6）：36-40.

[4] 谷銮，徐贵力，王友仁. FPGA动态可重构理论及其研究进展[J]. 计算机测量与控制，2007（11）：1415-1418.

[5] 吴凤艳，王烈，孙洪民. 基于FPGA的动态局部可重构方法分析与比较[J]. 广西科学院学报，2009（4）：340-342，346.

[6] 张宇，范建华，吕遵明，王统祥. FPGA动态部分可重构技术概述[J]. 计算机与现代化，2014（3）：210-214.