1 导言
电子体系功用完结的方法不过硬件和软件两种。依据冯。诺依曼或许哈佛体系结构的通用微处理器（MPU、MCU、DSP等）体系是软件完结方法，其硬件电路结构固定，经过串行履行指令完结功用。软件规划灵敏、易晋级，但履行速度慢、功率低;而专用集成电路（ASIC）选用硬件方法，经过固化的特定运算和单元电路完结功用。指令并行履行，履行速度快、功率高，但开发周期长、缺少灵敏性。在一些实时性和灵敏性要求都比较高的场合，选用通用微处理器或许ASIC效果都欠佳。
大规划的电子体系是各种逻辑功用模块的组合。从时刻轴上来看，体系中的各个功用模块并不是任何时刻都在作业，而是依据体系外部的全体要求，轮番或循环地激活或作业。跟着体系规划的扩展，各功用模块电路的资源运用率反而下降。因而，体系规划要从传统的寻求大规划、高密度的方向，转向怎么进步资源运用率上来，充沛运用有限的资源去完结更大规划的逻辑规划。
依据大规划可编程器材FPGA的可重构体系（Reconfigurable System），便是运用FPGA能够屡次重复编程装备的特色，完结实时电路重构（Reconfiguration of circuitry at runTIme，简称RCR），即在电子体系的作业情况下，动态改动电路的结构，其实质是完结FPGA内部悉数或部分逻辑资源的时分复用，使在时刻上离散的逻辑电路功用能在同一FPGA中次序完结。
尽管可重构体系的概念早在1960年就现已提出来，但因为没有抱负的可重构器材等原因，这方面的研讨一向没有很大打破。1990年以来，跟着大规划集成电路的敏捷开展，特别是大规划可编程器材FPGA的呈现，研发可重构电子体系的硬件条件已根本具有，实时电路重构的思维逐步引起了学术界的留意，然后引发了对可重构体系的研讨热潮。自从2000年以来，依据FPGA的重构在国际上得到了越来越多的重视和研讨。
2 FPGA可重构规划的根底
2.1 FPGA可重构规划的结构根底
可重构规划是指运用可重用的软、硬件资源，依据不同的运用需求，灵敏地改动本身体系结构的规划办法。FPGA器材可屡次重复装备逻辑的特性使可重构体系成为可能，使体系兼具灵敏、快捷、硬件资源可复用等功用。
FPGA器材的结构首要有两种：一是依据反熔丝技能，二是依据SRAM或FLASH编程。用反熔丝开关作根本元件，具有非易失性，编程完结后，FPGA的装备数据不再改动，无法重构。而依据SRAM或FLASH编程的FPGA经过阵列中的SRAM或FLASH单元对FPGA进行编程。SRAM单元由一个RAM和一个PIP晶体管组成，RAM中储存着PIP晶体管的通断信息，体系上电时，这些信息码由外部电路写入到FPGA内部的RAM中，电源断开后，RAM中的数据将丢掉。因而SRAM或FLASH编程型FPGA是易失性的，每次从头加电，FPGA都要从头加载数据。这样，运转中的FPGA功用体系在掉电后能够从头下载新的装备数据，以完结不同的功用。这一特色成为FPGA在许多新领域取得广泛运用的要害，特别成为可重构体系开展的持续驱动力。
2.2 FPGA的重构办法
依据重构的办法不同，FPGA的重构可分为静态重构和动态重构两种，前者是指在体系闲暇期间进行在线编程，即断开从前的电路功用后，从头下载存贮器中不同的方针数据来改动方针体系逻辑功用。惯例SRAM FPGA都可完结静态重构。后者则是指在体系实时运转中对FPGA芯片进行动态装备（即在改动电路功用的一起依然坚持电路的作业情况），使其悉数或部分逻辑资源完结在体系的高速的功用改换和时分复用。动态重构技能需求特定的依据SRAM或FLASH结构的新式FPGA的支撑。跟着其产品和技能的相对老练，动态重构FPGA的规划理论和规划办法现已逐步成为新的研讨热门。
依据完结重构的面积不同，可重构FPGA又能够分为大局重构和部分重构。
（1）大局重构：对FPGA器材或体系能且只能进行悉数的从头装备，在装备进程中，核算的中心成果有必要取出存放在额定的存储区，直到新的装备功用悉数下载完停止。重构前后电路彼此独立，没有相关。一般，能够给FPGA串连一个EPROM来存储装备数据，完结前后功用的转化。惯例依据SRAM的FPGA的静态重构均为大局重构。
（2）部分重构：对重构器材或体系的一部分进行从头装备，重构进程中，其余部分的作业情况不受影响。这种重构办法减小了重构规划和单元数目，FPGA的重构时刻大大缩短，占有适当的速度优势。运用FPGA动态部分重构功用使硬件规划愈加灵敏，可用于硬件的长途晋级、体系容错和演化硬件以及通讯渠道规划等。动态部分重构能够经过两种办法完结：依据模块化的规划办法（Module-Based ParTIal ReconfiguraTIon）和依据不同的规划办法（Difference-Based ParTIal Reconfiguration）。
显着，动态重构比静态重构优胜，因为静态重构将整个内部的逻辑单元都从头装备，此刻FPGA被挂起不能履行正常操作，重构完结后才干恢复作业，影响体系实时性。动态重构在体系运转中能实时悉数或部分重构，且不中止正常逻辑输出，因而更有灵敏性和高速度。
大多数FPGA都是依据LUT查找表结构，它们只适用于静态重构，经过向LUT一次下载悉数装备数据而设定FPGA的逻辑功用。依据FPGA的容量不同、装备办法不同，悉数重构时刻为几ms到几秒不等。
关于惯例FPGA来说，重载办法多种多样。在体系调试阶段，一般是经过JTAG电缆从主机下载装备数据，调试完毕后正式运转时一般是将装备数据放在串行PROM中，上电时向FPGA加载逻辑。但关于体系实践运转还有一些更快更灵敏的装备办法，能够缩短FPGA的重构时刻，完结灵敏重构。如ALTERA公司的FPGA可选用串行被迫（PS）办法装备，关于2万逻辑门规划的EP1K10装备数据为20KB，在30MHz的装备时钟下只需5ms即可悉数重构。这个速度尽管比不上动态装备的FPGA，但也比JTAG下载、串行PROM装备办法快多了，权且称之为准动态重构（bogus dynamic restructuring）。并且在许多体系中FPGA并不时刻都在作业，而是以必定的重复频率履行使命，只需在FPGA的闲暇时刻来得及对其进行从头装备，那么在体系微观的视点就能够认为是动态装备的，即实时重构。
2.3 支撑重构的FPGA器材
近年来，跟着FPGA技能的开展，支撑重构的FPGA器材新品迭现。Xilinx、Altera、Lattice的FPGA器材都是SRAM查找表结构。Xilinx支撑模块化动态部分重构的器材族有XC6200系列，90nm工艺Spartan-3和Virtex-4 、Virtex-II-E和Virtex-II Pro ［7］。Acmel公司的AT6000系列相同依据SRAM结构，仅仅SRAM的各单元能够独自拜访装备，即支撑部分重构。Lattice公司的依据Flash的FPGA经过在Flash上存储多种逻辑功用的装备数据流，经过装备完结不同逻辑功用，严厉意义上讲归于静态可重构技能。Altera公司的Flex系列、ACEX、APEX、Cyclone系列也是依据SRAM的可重构逻辑。支撑重构的FPGA器材有数量逐步添加的趋势。但现在价格相对偏高。
3 依据FPGA的可重构体系结构剖析
因为可重构体系的研讨前史很短，现在没有构成规范的结构方法，在此仅依据已有的运用做开始剖析。
按重构的粒度和办法，可重构体系能够粗略地分为两种。一种是粗粒度重构单元的模块级重构，即重构时改动某一个或若干个子模块的结构。此刻不只电路逻辑改动，连线资源也从头分配。重构所需的电路输出装备信息事先由编译软件生成。一般重构时体系需求暂停作业，待重构完结后再持续。这种重构体系规划简略，但灵敏性缺乏，且有时不能彻底发挥出硬件运算的功率。较合适运用于嵌入式体系中。
另一种细粒度的重构单元的元件级重构，即重构时仅改动若干元件的逻辑功用。一般情况下重构时连线资源的分配情况不作修正，重构所需的电路装备信息在体系运转进程中动态产生。重构时体系能够边重构边作业。这种重构体系规划杂乱，但灵敏性大，能充沛发挥出硬件运算的功率，较合适高速数字滤波器、演化核算、定制核算等方面的运用。
从现有的可重构体系安排结构看，能够依据运用类型加以区别，在中低端运用中，首要选用通用微处理器MPU（MCU/DSP）+FPGA方法;在高端运用中，首要选用处理器集成型，行将处理器、存储器、I/O口、LVDS、CDR等体系规划需求的资源集成到一个FPGA芯片上，构建成一个可编程的片上体系SoPC（System on Programmable Chip）。
3.1 MPU+FPGA结构的可重构体系的结构特色
通用微处理器具有杰出的接口功用，便于构建可重构体系。依照MPU与FPGA之间的彼此关系以及在体系中所起的效果，首要能够分为两类：MPU操控FPGA作业的可重构体系和MPU协同FPGA作业的可重构体系。
3.1.1 MPU操控FPGA作业的可重构体系
这类体系选用MPU作为体系的操控中心，在FPGA中完结操控器的外设电路功用。实质上，这是传统MPU操控体系的承继与开展，依据体系需求，在FPGA中定制完结各分立的外部设备与接口，如SRAM、键盘与显现接口以及总线的扩展等运用。
例如在某多通道超声信号高速收集处理体系中，所需处理的数据流巨大，对它的处理是核算密集型使命。选用DSP+FPGA结构方法，以FPGA作为DSP的协处理器，能够以硬件的速度进行并行核算，一起运用其在线可重构特性，灵敏地改动内部逻辑装备来完结多种不同算法的使命。
因为首要操控使命在MPU上完结，体系逻辑完结的要点在编制MPU程序上，而FPGA则更多地运用IP （Intellectual Property）核完结根本功用模块，软件开发在整个体系规划进程中所占比重较大。
3.1.2 MPU协同FPGA作业的可重构体系
这类体系一般以可编程逻辑器材为中心，在其内部完结面向运用的逻辑操控功用（一般以情况机FSM完结），而MPU则占有非必须位置（充任FPGA操控器的外设）。应该说，这类体系充沛运用了可编程逻辑器材和MCU的特色，完结了优势互补。它首要运用在面向实时性运用、并行处理以及高速等环境中。例如，运用高密度FPGA进行多路A/D高速采样，经内部处理模块处理后，并行输出成果，整个进程的时序操控在FPGA内部完结;而MPU只担任对FPGA各功用模块的参数装载、发动指令发送及FPGA作业情况监控等外围使命。
这类体系的开发要点首要在FPGA逻辑功用的硬件完结上，而MPU的操控软件比较简略。
在实践运用中，体系的特色并不像以上两种类型这么显着，普遍存在的是兼具以上特色的体系，仅仅所占比重不同罢了。
3.2 单片FPGA上的SoC—SoPC
将片上体系SOC和FPGA各自的长处相结合，完结现场可编程、可重构的新式SoC便是片上体系SoPC。
以Altera Stratix FPGA器材为例，Stratix体系把硬件、软件和IP功用从技能上融合到依据模块的规划中。这个新的体系结构选用CPU软核Nios和DirectDriveTM的MultiTrackTM互联布线结构。Nios II系列32位嵌入式处理器是一款通用的RISC结构的CPU，它定坐落广泛的嵌入式运用。可编程的NiosII核含有许多可装备的接口模块，用户可依据规划要求，运用Altera的Quartus II软件以及SoPC Builder东西，答应规划者轻松地将Nios II处理器嵌入到他们的体系中。用户还可经过Matlab和DSP Builder，或直接用VHDL等硬件描绘言语，为NiosII嵌入式处理器规划各类硬件模块，并以指令的方法加入到NiosII的指令体系中，使其成为NiosII体系的一个接口设备，与整个片内嵌入式体系融为一体，而不是直接下载到FPGA中生成巨大的硬件体系。正是NiosII所具有的这些重要特色，使得可重构SoPC的规划成为可能。市场上盛行的SoPC器材厂商Xilinx和Altera都供给功用强大的SoPC规划渠道，并供给很多的IP核和参阅规划，这是SoPC的一大优势。
当然，可重构体系的方法并没有彻底定型，各类型间的分界对错常含糊的，乃至是穿插重合的。能够预见，跟着可重构技能的开展，还会有新的体系结构呈现。
4 依据FPGA的可重构体系的运用简析
依据FPGA的可重构体系优胜的运用功用首要体现在：①能以硬件的速度履行算法，一起又具有灵敏的可装备性;②当作缓存逻辑，在不同的时刻段向FPGA加载不同的逻辑装备，完结硬件复用，进步资源运用率，减小体系规划功耗;③可结构自动式数字容错体系，在体系产生毛病时从头装备FPGA到达自修正;④完结可进化的硬件，对不断改动的环境能敏捷适配;⑤可使规划者用更为简略的硬件和更短的规划周期来完结更多的功用，下降体系的本钱。因而，依据FPGA的可重构体系在军事方针匹配、声纳波束组成、基因组匹配、图画纹路填充、遗传学方面基因组剖析、集成电路的核算机辅助规划、网络安全、光互连、高速数字滤波器、图画紧缩、嵌入式体系等方面，都有着广泛的运用远景。信任跟着FPGA技能的开展，该技能将进入更多运用领域，为人类带来更多的便当。
