FPGA动态可重构技术及其应用研究

摘要

FPGA动态可重构技术能够在FPGA运行过程中对其内部的全部或部分逻辑资源进行重新配置,进而实现逻辑功能的动态切换,而不终止器件的运行。这使硬件系统的更新或修改变得十分容易,提高了FPGA的灵活性;该技术实现了资源的时分复用,提高了FPGA的资源利用率并降低了功耗。FPGA动态可重构技术的巨大优势使其在系统容错、航空航天、可进化硬件、多功能仪器等众多领域都有着广阔的应用前景。鉴于此,针对FPGA的动态重构技术及其应用进行研究具有重要的研究价值和实际意义。
　　本文分析了FPGA动态可重构技术的国内外研究及应用现状,对基于FPGA的动态可重构技术的原理及实现方法进行了深入的研究,并对主流生产厂商的FPGA动态重构实现方法进行了分析和比较。在对FPGA动态重构技术进行深入的研究和分析的基础上，提出了一种具备本地动态全局重构、本地动态局部重构以及远程动态重构能力的载板设计方案。该方案以Xilinx公司的Virtex-5系列FPGA作为重构硬件基础,设计了基于Platform Flash PROM、BPI Flash、SystemACE CF配置方式下的动态重构接口电路以及远程动态重构接口电路;设计的载板可作为主控板挂接在将来根据不同需求而设计的功能板上以使功能板具备动态可重构能力,增强了设计的灵活性和通用性,实现同一硬件基础上通过重构以适应不同型号以及相同型号在不同阶段的导弹和卫星通用化测试需求。最后,以可重构载荷数据模拟源作为应用实例来验证动态可重构载板的设计的合理性和正确性。实际测试结果表明,载板不仅可以通过本地触发重构实现基于Platform Flash PROM、BPI Flash、System ACE CF配置方式下的动态全局重构以及JTAG调试模式下的动态局部重构来实现载荷数据模拟源的功能的动态切换,而且可以通过以太网远程发送配置数据文件并触发重构来取得同样的功能重构效果。从多个方面验证了FPGA动态重构技术的巨大优势。本文对于其它从事该项技术研究与开发的人员具有重要的参考价值和借鉴意义。

目录

FPGA动态可重构技术动态可重构技术动态可重构技术及其应用研究及其应用研究

RESEARCH ON DYNAMICALLY RECONFIGURABLE TECHNOLOGY AND ITS APPLICATION BASED ON FPGA

摘　　要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 FPGA可重构技术的基本概念、原理及分类

1.3 FPGA可重构技术国内外研究现状及应用分析

1.4 本文的研究内容与结构

第2章 FPGA动态可重构技术研究方案

2.1 研究内容及研究要求

2.1.1 FPGA动态可重构技术原理、实现方法研究

2.1.2 动态可重构载板设计要求

2.1.3 FPGA动态可重构技术应用实例及其功能要求

2.2 研究目标与总体研究思路

2.3 基于FPGA的可重构硬件研究

2.3.1 FPGA硬件结构研究

2.3.2 FPGA的配置模式研究

2.3.3 FPGA的动态重构配置流程研究

2.4 FPGA动态可重构实现方法研究

2.5 主流公司FPGA动态可重构设计实现方法研究

2.6 动态可重构载板方案设计

2.6.1 FPGA选型

2.6.2 总体方案

2.6.3 远程动态可重构系统方案设计

2.6.4 本地动态可重构系统方案设计

2.7 本章小结

第3章 动态可重构载板硬件电路设计

3.1 引言

3.2 本地动态可重构配置电路设计

3.2.1 基于Platform Flash PROM的配置电路设计

3.2.2 基于BPI Flash PROM的配置电路设计

3.2.3 基于System ACE CF的配置电路设计

3.2.4 本地重构触发电路设计

3.3 远程动态可重构电路设计

3.3.1 以太网接口电路设计

3.3.2 SDRAM接口电路设计

3.3.3 FLASH接口电路设计

3.3.4 CPLD控制电路设计

3.3.5 RS-232通信电路设计

3.4 电源转换电路设计

3.5 调试指示灯电路设计

3.6 扩展接口电路设计

3.7 本章小结

第4章 动态可重构载板功能设计实现

4.1 引言

4.2 载荷数据模拟源固件设计

4.2.1 针对动态全局重构的载荷数据模拟源固件设计

4.2.2 针对动态局部重构的载荷数据模拟源固件设计

4.3 本地动态全局重构功能设计实现

4.3.1 动态全局重构设计流程

4.3.2 基于Platform Flash的动态全局重构设计实现

4.3.3 基于BPI Flash的动态全局重构设计实现

4.3.4 基于System ACE CF的动态全局重构设计实现

4.4 本地动态局部重构功能设计实现

4.4.1 基于模块化的动态局部重构设计实现流程

4.4.2 本地的动态局部重构设计实现流程

4.4.3 利用PlanAhead生成动态局部重构配置位流

4.5 远程动态重构功能设计实现

4.5.1 XPS下的系统硬件平台的搭建

4.5.2 CPLD控制设计实现

4.5.3 SDK下的软件实现

4.6 本章小结

第5章 测试与分析

5.1 测试方案

5.1.1 总体测试方案

5.1.2 可重构载荷数据模拟源功能测试方案

5.1.3 动态重构性能测试方案

5.2 可重构载荷数据模拟源功能调试与分析

5.2.1 SM相机模拟数据功能验证与分析

5.2.2 NS相机模拟数据功能验证与分析

5.2.3 低速载荷数据功能验证与分析

5.3 本地动态全局可重构性能测试与分析

5.3.1 基于Platform Flash PROM的重构性能测试与分析

5.3.2 基于BPI Flash PROM的可重构性能验证

5.3.3 基于System ACE CF的可重构性能测试与分析

5.4 本地动态局部重构的性能测试与分析

5.5 本地全局、动态局部重构性能对比与分析

5.6 远程动态可重构性能测试与分析

5.7 测试中出现的问题及解决方法

5.8 本章小结

结　　论

附录一 可重构载板实物图

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致　　谢