摘要：在對現(xiàn)有的IRL實現(xiàn)方案進行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新的解決方案——基于FPGA設(shè)備驅(qū)動的解決方案。該方案使用處理器控制方式結(jié)合嵌入式實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)了通過互聯(lián)網(wǎng)進行遠程配置的功能，并且具有體系結(jié)構(gòu)簡單、跨平臺、配置過程靈活快速、硬件成本較低等特點。

關(guān)鍵詞：FPGA；嵌入式系統(tǒng)；IRL系統(tǒng)

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)14-20954-02

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)可重配置邏輯IRL(Internet Reconfigurable Logic)，是一種能夠通過互聯(lián)網(wǎng)對目標系統(tǒng)的硬件進行遠程更新和動態(tài)重構(gòu)的設(shè)計方法。這種遠程動態(tài)重構(gòu)技術(shù)最早由Xinlinx等PLD公司推出。IRL使公共網(wǎng)具備了現(xiàn)場更新、修復(fù)和修改遠程硬件的能力，目前已經(jīng)被許多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用，如數(shù)字電視、家庭網(wǎng)關(guān)、多功能機頂盒和路由器、交換機等網(wǎng)絡(luò)中繼設(shè)備等。采用IRL可降低對設(shè)備的維護費用，設(shè)備提供商可通過基于Internet的商業(yè)模式完成產(chǎn)品的更新?lián)Q代與維護[1]。

基本的IRL系統(tǒng)由Host、Upgrade Portal、TCP/IP Network和Target四部分組成：

（1）主機(Host)：主要應(yīng)用各種設(shè)計工具產(chǎn)生FPGA配置文件，并通過應(yīng)用軟件將配置文件(payload)傳送到升級入口。

（2）升級入口(Upgrade Portal)：目標設(shè)備可以通過升級人口獲取配置文件。

（3）TCP/IP網(wǎng)絡(luò)(Network)：是基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)，可以是互聯(lián)網(wǎng)也可以是局域網(wǎng)，由IRL系統(tǒng)軟件提供一種基于TCP/IP的接口連接。

（4）目標系統(tǒng)(Target)：是需要進行硬件升級的系統(tǒng)，即終端設(shè)備。該系統(tǒng)由微處理器、IRL系統(tǒng)軟件、嵌入式實時操作系統(tǒng)和可重構(gòu)器件(如FPGA)組成。處理器與網(wǎng)絡(luò)進行通信并與可重構(gòu)器件連接。IRL系統(tǒng)軟件可在嵌入式實時操作系統(tǒng)的支持下對目標系統(tǒng)進行硬件升級[5]。

IRL技術(shù)的研究在國內(nèi)還不多見，只有少數(shù)科研機構(gòu)做了理論方面的研究。在國際上也是剛剛起步，目前已經(jīng)得到應(yīng)用的IRL方案主要有以下兩種：

（1）XiLinx公司的PAVE解決方案。PAVE(PLD API for VxWorks Embedded Systems)是一個實現(xiàn)硬件在線可升級系統(tǒng)的開發(fā)框架。它包含一個用作設(shè)備配置的應(yīng)用程序接口(API)和一個在主機上與Wind River的Tornado集成開發(fā)環(huán)境一起使用的系統(tǒng)綜合框架(SIF)。SIF為創(chuàng)建和管理可升級的應(yīng)用軟件提供了強大而易用的框架；API則提供了C++開發(fā)支持及Xilinx FPGA配置的標準工具。兩者綜合使用，使得開發(fā)網(wǎng)絡(luò)升級配置產(chǎn)品更加快速和高效[1]。

（2）JBitsTM解決方案。JBitsTM是XiLinx公司推出的用于配置FPGA的Java類庫。利用該類庫再結(jié)合用于嵌入式設(shè)備的JVM虛擬機，可以實現(xiàn)遠程現(xiàn)場配置FPGA，從而實現(xiàn)IRL。首先，用戶程序在JVM和JBits類庫的支持下生成可配置的二進制比特流文件，然后比特流文件下載到FPGA中實現(xiàn)現(xiàn)場重構(gòu)。

這兩種方案雖然可以實現(xiàn)IRL的功能，但都存在硬件成本較高，配置速度慢、軟硬件系統(tǒng)復(fù)雜的缺點。為此本文提出了基于FPGA設(shè)備驅(qū)動的解決方案。該方案使用處理器控制方式結(jié)合嵌入式實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)了通過互聯(lián)網(wǎng)進行遠程配置的功能，并且具有體系結(jié)構(gòu)簡單、跨平臺、配置過程靈活快速、硬件成本較低等特點[6]。

2 基于FPGA設(shè)備驅(qū)動的解決方案

XiLinx公司的兩種IRL平臺都需要有一套復(fù)雜的軟件系統(tǒng)(JBitsTM或PAVE Framework)該系統(tǒng)將占用目標系統(tǒng)上大量資源，甚至需要有Java虛擬機的支持。而嵌入式設(shè)備的板上資源是非常有限的，這無疑加大了IRL系統(tǒng)所占系統(tǒng)資源的比重，并且增加了開發(fā)難度和周期。為此，可以采用一種不同的開發(fā)方法：整個軟件系統(tǒng)可劃分為四個模塊：

（1）配置邏輯生成模塊——該模塊主要在主機端生成FPGA配置文件，并將配置文件放到主機的升級入口。FPGA配置文件采用的是SVF(Serial Vector Format)格式，它包含了FPGA的數(shù)據(jù)和配置指令，本模塊將生成該格式的FPGA配置文件。

（2）服務(wù)器到目標設(shè)備的配置文件下載模塊——即實現(xiàn)將主機端的配置文件寫入FPGA設(shè)備中。主機端的以太網(wǎng)口作為發(fā)送配置文件的通訊端口，目標端的以太網(wǎng)口可作為接收配置文件的通訊端口。該模塊包括客戶端程序和服務(wù)器端程序兩部分，采用Socket套接字方式實現(xiàn)目標板與主機之間FPGA配置文件的傳送。該程序要在嵌入式實時操作系統(tǒng)的支持下運行[2]。

（3）實現(xiàn)FPGA映像裝載的設(shè)備驅(qū)動模塊——實現(xiàn)FPGA映像的裝載有硬件和軟件兩種方法。硬件的方法通過改變控制RAM中的配置文件從而動態(tài)更新FPGA邏輯電路：軟件的方法由CPU模擬專用EPROM對FPGA進行配置。[3]本系統(tǒng)中采用軟件的方法，省去了FPGA專用EPROM的成本．而且硬件電路設(shè)計簡單。在實現(xiàn)FPGA裝載的設(shè)備驅(qū)動程序時，將設(shè)備驅(qū)動程序和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)獨立加以編譯，成為“可安裝模塊”，只在需要FPGA模塊工作時才將FPGA驅(qū)動模塊安裝入內(nèi)核。將FPGA的設(shè)備驅(qū)動程序加載到內(nèi)核后，每次操作系統(tǒng)啟動后會自動將Flash中的映像文件載人FPGA中，從而完成系統(tǒng)的自動配置[4]。

（4）實現(xiàn)FPGA映像快速裝載的驗證程序——該程序可直接將配置文件寫入FPGA的控制RAM中．從而保證了配置過程的快速性，可以讓用戶提前看到新配置文件的效果。

除了以上四個模塊，IRL系統(tǒng)還需要嵌入式實時操作系統(tǒng)的配合，由嵌入式實時操作系統(tǒng)完成對FPGA設(shè)備驅(qū)動程序的自動裝載。

3 1RL系統(tǒng)的測試

我們對采用基于FPGA設(shè)備驅(qū)動方案的IRL系統(tǒng)給出了測試，表1是使用3個不同配置文件進行遠程配置的比較表。其中網(wǎng)絡(luò)下載時間為估算值。FPGA配置的時間由公式得到。ARM微處理器主頻為200MHz。每讀4個字節(jié)的數(shù)據(jù)需要3個時鐘，因此得到計算公式為：完成FPGA配置的時間=配置文件大小*1024/4*3/200。

4 結(jié)束語

本文介紹了IRL的相關(guān)概念，在對現(xiàn)有的IRL實現(xiàn)方案進行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新的解決方案——基于FPGA設(shè)備驅(qū)動的軟件配置方案。本方案具有配置速度快、硬件成本低、FPGA驅(qū)動模塊可動態(tài)加載等優(yōu)點，可滿足當前對遠程硬件升級的要求。在嵌入式實時操作系統(tǒng)的支持下，本系統(tǒng)可實現(xiàn)對可重構(gòu)硬件的實時遠程再配置。

IRL技術(shù)的出現(xiàn)已引發(fā)可編程片上系統(tǒng)設(shè)計的革命，采用該技術(shù)，不僅可搶占市場先機，還可以適應(yīng)標準的變化。系統(tǒng)可以在現(xiàn)場安裝后進行升級和維護，可通過互聯(lián)網(wǎng)對硬件進行遠程升級。目前，基于IRL的可升級設(shè)備的需求正在飛速增長，未來設(shè)備越來越多的要求具備可遠程配置及適應(yīng)性的功能。

參考文獻：

[1] 徐欣，于紅旗. 基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[2] 鄒思鐵. 嵌入式Linux設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社，2002.

[3] 毛德操， 胡希明. Linux內(nèi)和源代碼情景分折（上冊）[M].杭州：浙江大學出版社，2001.

[4] ALESSANDRORUBINI， JONATHAN CORBET. Linux設(shè)備驅(qū)動程序[M].北京：中國電力出版社，2002.

[5] CADAMBI，S. AND GOLDSTEIN，S.C.CPR.A configuration profiling tool[J].IEEE Symposium on Field-Programmable Custom Computing Machines，1999.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文