謝 達(dá)，宋林峰，董宜平，胡 凱

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214072）

1 引言

目前，可重構(gòu)系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于復(fù)雜應(yīng)用之中，在提高應(yīng)用性能的同時降低了應(yīng)用成本?，F(xiàn)場可編輯門陣列（FPGA）因其具有高性能和高靈活性的特點(diǎn)，成為實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)系統(tǒng)合適的硬件平臺。當(dāng)前最新的動態(tài)部分可重構(gòu)（Dynamic Partial Reconfiguration，DPR）技術(shù)可以使FPGA在重新配置一部分電路的同時允許其余部分保持正常運(yùn)行，進(jìn)而提供了更高的靈活性。

DPR系統(tǒng)由許多可重構(gòu)模塊（Reconfigurable Modules，RMs）組成，每個RM具有不同的功能模式。這些RMs可以在動態(tài)重配置系統(tǒng)的控制下在運(yùn)行中進(jìn)行變化。RMs物理上由部分可重構(gòu)區(qū)域（Reconfigurable Regions，RRs）定義在 FPGA 的一些特別位置上，使得整個系統(tǒng)的可重構(gòu)部分與靜態(tài)部分分離。分區(qū)是根據(jù)RMs的功能模式種類數(shù)來確定RRs數(shù)量和大小的過程。其中，重配置時間（即重新配置系統(tǒng)由一種工作模式轉(zhuǎn)變到另一個工作模式的時間）與RRs的面積大小成正比。因此，重配置時間和可重構(gòu)區(qū)域面積是衡量一個DPR系統(tǒng)是否高效的重要指標(biāo)。

DPR設(shè)計(jì)方案的核心是給動態(tài)可重構(gòu)模塊分區(qū)。為了實(shí)現(xiàn)最短時間和最小面積，研究人員在DPR分區(qū)方面已經(jīng)開展了一些相關(guān)研究工作。Berrocal[1]等提出一種動態(tài)時間的時間分區(qū)方案以減少重構(gòu)時間，在重配置期間啟用時域分區(qū)來重新連接可重新配置的分區(qū)區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)了模塊間互聯(lián)，但沒有考慮可重構(gòu)區(qū)域面積。Montone[2]等提出了一種模擬退火算法來最小化可重構(gòu)區(qū)域面積，但沒有考慮可重構(gòu)時間。Vipin[3]等指出兩種最常用的DPR分區(qū)方法，單區(qū)域劃分法和模塊化分區(qū)法，但這兩種方法都只優(yōu)化了重配置時間和可重構(gòu)區(qū)域面積的其中一方面。Vipin[4]等基于改進(jìn)的層次聚類算法提出了一種自動化的分區(qū)工具，該工具能夠找到最小重構(gòu)時間的最優(yōu)分區(qū)方案，但沒有對可重構(gòu)區(qū)域的面積進(jìn)行優(yōu)化。Yousuf[5]等提出了一種軟硬件綜合設(shè)計(jì)的自動化分區(qū)流程，將RM s分配到FPGA的可重構(gòu)區(qū)域，但只針對特定應(yīng)用提高了重構(gòu)時間和應(yīng)用頻率。因此，自動化分區(qū)成為DPR設(shè)計(jì)的趨勢，而同時優(yōu)化配置時間和區(qū)域面積仍然是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

針對現(xiàn)有研究的趨勢和難點(diǎn)，本文提出了一種高效DPR設(shè)計(jì)方案，改進(jìn)了Vipin分區(qū)算法[4]，得到最優(yōu)分區(qū)方案，可以同時減少整個DPR系統(tǒng)的重配置時間和總面積，此外還設(shè)計(jì)了一個重配置布線開關(guān)；在系統(tǒng)運(yùn)行時重新連接RRs，解決了RRs之間靜態(tài)布線的問題；最后基于Xilinx的Kintex-7系列FPGA進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和分析。

2 動態(tài)部分可重構(gòu)的現(xiàn)有研究基礎(chǔ)

2.1 DPR基本原理

可重構(gòu)是一種在硬件結(jié)構(gòu)可變的基礎(chǔ)上對電路進(jìn)行重配置的概念。FPGA實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的基礎(chǔ)是靜態(tài)存儲器（SRAM）結(jié)構(gòu)，基于此原理的FPGA可以實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)，支持動態(tài)可重構(gòu)的FPGA。如Virtex系列器件的物理結(jié)構(gòu)由輸入輸出模塊（IOBs）、Block RAM、配置邏輯塊（CLBs）等部分構(gòu)成。SRAM配置層也根據(jù)這些模塊進(jìn)行了劃分，最小單元為配置列（Configuration Columns）[6]。如圖1所示，下載到SRAM的配置數(shù)據(jù)流分成配置數(shù)據(jù)和配置地址兩部分，地址指向不同的配置列。當(dāng)FPGA進(jìn)行配置時，配置存儲器根據(jù)下載數(shù)據(jù)中的地址信息尋找對應(yīng)的配置列，然后將該配置列對應(yīng)的配置信息（Frames）下載進(jìn)去。因此，當(dāng)僅下載部分配置列的數(shù)據(jù)和地址時即實(shí)現(xiàn)了動態(tài)部分可重構(gòu)配置。

圖1 具有DPR功能的FPGA配置存儲器結(jié)構(gòu)

2.2 現(xiàn)有DPR設(shè)計(jì)方案

迄今為止主要有4種DPR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，分別為基于JBits的設(shè)計(jì)方案[7]、基于差異的設(shè)計(jì)方案[8]、基于模塊的設(shè)計(jì)方案[9]以及基于EAPR(Early-Access Partial Reconfiguration)流程的設(shè)計(jì)方案[10]。前兩種方案因需要手動進(jìn)行布局布線，復(fù)雜應(yīng)用使用起來難度較大。Xilinx公司近幾年提出了基于EAPR的設(shè)計(jì)方案，此方案繼承了基于模塊設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)，并進(jìn)行了一系列改進(jìn)，如改變模塊的基于TBUF總線宏為基于Slice的總線宏，使總線密度更高、通信質(zhì)量更好；可重構(gòu)區(qū)域也從有限制的矩形變?yōu)槿我饩匦蔚?。因此目前?yīng)用最多的設(shè)計(jì)方案為基于EAPR的方案。

本文提出的DPR設(shè)計(jì)方案采用的是基于EAPR流程的設(shè)計(jì)方案，具體流程如下：頂層模塊設(shè)計(jì)、靜態(tài)模塊設(shè)計(jì)、重構(gòu)模塊設(shè)計(jì)、總線宏設(shè)計(jì)以及模塊合并。設(shè)計(jì)一個動態(tài)部分可重構(gòu)系統(tǒng)的流程圖如圖2所示。

圖2 基于EAPR的設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)出的部分動態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。部分可重構(gòu)系統(tǒng)物理上由靜態(tài)區(qū)域和動態(tài)區(qū)域構(gòu)成，RMs定義在動態(tài)區(qū)域中，RMs的數(shù)量根據(jù)應(yīng)用需要的功能模式種類數(shù)決定。靜態(tài)區(qū)域和動態(tài)區(qū)域通過總線宏（Bus Macro）連接，設(shè)計(jì)時三者的關(guān)系都定義在頂層模塊中，從而建立靜態(tài)區(qū)域和動態(tài)區(qū)域的連接。

圖3 DPR系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖

2.3 現(xiàn)有DPR分區(qū)方案

DPR系統(tǒng)是由多種配置模式（Configuration Modes，CMs）組成，每種 CM 包括多個 RM s，在系統(tǒng)工作時，可重構(gòu)模塊會從一種配置模式轉(zhuǎn)變成另一種配置模式。以一個DPR系統(tǒng)為例，如圖4所示，該系統(tǒng)有4 種配置模式（Conf.1，Conf.2，Conf.3，Conf.4），每種配置模式有4個 RMs（A，B，C，D），每個RM有3種模式（A1，A2，A3；B1，B2，B3；C1，C2，C3；D1，D2，D3）。

圖4 常用DPR分區(qū)方案之單區(qū)域劃分法

目前實(shí)際最常用的分區(qū)方案有兩種[3]：第一種是單區(qū)域劃分法，如圖4所示，此方法是將所有RM s分區(qū)在一個大尺寸的RR中，這個區(qū)域包括最大配置模式（圖4中為Conf.2）所需要的資源；第二種是模塊化分區(qū)法，即每個RR分區(qū)放置一個RM，如圖5中RM_A放置在RR1分區(qū)，RM_B放置在RR2分區(qū)，這樣在系統(tǒng)運(yùn)行時，每個RR將從一種可重構(gòu)模式轉(zhuǎn)換成另一種。同時，每個RR要包含其區(qū)域內(nèi)的RM在每種配置模式中用到的資源，如圖5中RR1要包含RM_A 的 3種模式（A1、A2、A3）用到的資源。

Ki-67屬于一種抗原，主要針對細(xì)胞增殖周期，其主要存在于細(xì)胞核中，通常在細(xì)胞生長的時期，并對細(xì)胞增殖進(jìn)行控制，AM疾病患者中，其腺上皮水平的表現(xiàn)主要呈現(xiàn)為升高趨勢，這就會使患者異位的病灶產(chǎn)生極強(qiáng)的增殖活性，并能促使AM疾病的發(fā)展[19]。

圖5 常用DPR設(shè)計(jì)分區(qū)方案之模塊化分區(qū)法

方案一需要較長的固定配置時間，因?yàn)閺囊环N配置模式（conf.1）切換到另一種配置模式（conf.2）時，需要整個也是唯一一個可重構(gòu)區(qū)域進(jìn)行重配置，所以重配置時間很長。但此方法在面積上有優(yōu)勢，因?yàn)榇朔桨缚芍貥?gòu)面積為最大配置模式所需的面積，這是能夠?qū)崿F(xiàn)所需功能的最小面積。對于方案二，RRs的數(shù)量等于RMs的數(shù)量，且每個RR的大小等于分配在這個區(qū)域上最大RM模式的大小，如圖5中4個可重構(gòu)區(qū)域的大小分別為（RR1:A2；RR2:B2；RR3:C1；RR4:D1）。這種方法的配置時間小于方案一，因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)從一種配置模式轉(zhuǎn)換成另一種時，只需要一些RRs重配置，而不需要整個系統(tǒng)所有可重構(gòu)區(qū)域重配置。但從面積上來講此方案效率較低，因?yàn)檎麄€可重構(gòu)面積等于所有RM最大模式面積的和，如圖5中整個面積等于A2、B2、C1和D1面積的和。且此方案在配置時有很多未使用的面積，也降低了配置效率。

3 本文提出的動態(tài)部分可重構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3.1 本文提出的分區(qū)方案

本文提出了一種分區(qū)方案，利用分區(qū)算法為給定的DPR系統(tǒng)找到最優(yōu)的RRs大小和數(shù)量設(shè)置，如圖6所示，按照每種配置模式中可重構(gòu)模塊的大小進(jìn)行分區(qū) ， 如 Conf.1 中 B1＜A1＜C1＜D1， 依 次 分 區(qū) 為RR1＜RR2＜RR3＜RR4，Conf.2/3/4 同理。這樣，每個可重構(gòu)區(qū)域就包含了不同的可重構(gòu)模塊的一些模式，如RR1包含A3、B1和B3。同時，配置順序還是原來的順序，如Conf.1中從RR1的B1連接到RR3的C1，若切換到Conf.2則從RR1的B1連接到RR2的C2。因此需要一個布線開關(guān)處理重配置時RRs之間重新連接的問題，布線開關(guān)作為一個定制的可重構(gòu)IP核置于靜態(tài)區(qū)域。這種方案還可以將同一種配置模式中相同設(shè)計(jì)的RM合并到一個RR中以進(jìn)一步減少面積，如A1和B1。最終配置時未使用的面積大大減少，因此該方案在配置時間較少的同時可以降低總重構(gòu)面積。

圖6 本文提出的DPR設(shè)計(jì)分區(qū)方案

3.2 本文提出的分區(qū)算法

本文引用了Vipin分區(qū)算法[4]，該算法通過一個圖形網(wǎng)表實(shí)現(xiàn)DPR自動分區(qū)，其中節(jié)點(diǎn)權(quán)重是配置模式中所有模式發(fā)生的次數(shù)，邊緣權(quán)重是兩個模式同時發(fā)生的次數(shù)。本文提出的算法在其基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，具體步驟如下。

第一步，算法遍歷整個圖形網(wǎng)表來生成一個包括所有可能分區(qū)的基本分區(qū)設(shè)置，該設(shè)置包含單個RM和可以合并的RM分區(qū)，可以合并的分區(qū)是指設(shè)計(jì)兼容、使用的基本單元兼容，例如圖6中{(A1);(C2);(A1,B1);(B2,C2);(A2,C3)}。

第二步，從這些基本分區(qū)方案中選擇一個候選分區(qū)方案，選擇候選分區(qū)的依據(jù)是：選擇的分區(qū)包含所有配置模式中所有的RM模式。Vipin算法的候選分區(qū)還要求排除所有包含可以合并但非連續(xù)RM模式的基本分區(qū)。例如圖6中，（A2，C3）是可以合并的非連續(xù)RM模式。而本文提出算法的候選分區(qū)包含可以合并但非連續(xù)的分區(qū)。

第三步，從候選分區(qū)方案中搜索可以兼容的分區(qū)方案?？梢约嫒莸姆謪^(qū)是指兩個或多個候選分區(qū)的RM模式不同時出現(xiàn)在任何配置模式中，因?yàn)樵谝环N配置模式下，同一個RM模式不能重復(fù)出現(xiàn)。

最后一步，算法遍歷所有可兼容的分區(qū)方案，以最小總重構(gòu)時間為目標(biāo)找出最優(yōu)解決方案。

本文提出的分區(qū)算法在候選分區(qū)中包含了可以合并的非連續(xù)RM模式，因此相比Vipin分區(qū)算法，本文提出的分區(qū)算法可以得到更優(yōu)化的分區(qū)方案，從而同時減小區(qū)域面積和重配置時間。

3.3 本文提出的分區(qū)布線技術(shù)

本文提出的分區(qū)算法對可重構(gòu)區(qū)域之間的布線通信也進(jìn)行了改進(jìn)，因?yàn)楸疚奶岢龅姆謪^(qū)算法在候選分區(qū)中包含可以合并的非連續(xù)RM模式，所以最終得到的最優(yōu)分區(qū)會由不同RMs的不同模式共享同一個RR，如圖6所示，因此需要一種重布線技術(shù)來保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的傳遞。圖7所示為本文提出的布線開關(guān)。布線開關(guān)是由靜態(tài)區(qū)域中的多路復(fù)用器和解碼器實(shí)現(xiàn)的。開關(guān)的輸入端口連接到所有RR的輸出端，開關(guān)的輸出端連接到所有RR的輸入端。設(shè)計(jì)一個有限狀態(tài)機(jī)（Finite State Machine，F(xiàn)SM）給開關(guān)發(fā)送控制信號來控制走線，在系統(tǒng)重配置時改變輸入和輸出端口的連接，實(shí)現(xiàn)RRs之間的切換。布線開關(guān)包含DPR系統(tǒng)中每一種配置模式的所有RM模式的布線映射。

圖7 本文提出的DPR設(shè)計(jì)流程與內(nèi)部分區(qū)走線流程

4 基于KC705平臺的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖8 本文使用的KC705平臺

軟件開發(fā)環(huán)境為Vivado 2017.2。這里對比測試了4種分區(qū)方案，分別是（1）常用方案一（單區(qū)域劃分）[3]；（2）常用方案二（模塊化分區(qū)）[3]；（3）Vipin 分區(qū)算法[4]；（4）本文提出的分區(qū)方案。對比使用這4種分區(qū)方案設(shè)計(jì)的16個DPR用例在可重構(gòu)區(qū)域面積和重配置時間上的效果。

以一個4種配置模式的應(yīng)用為例，單分區(qū)方案即一個區(qū)域；按模塊化分區(qū)方案需要4個RR分區(qū)；Vipin分區(qū)方案需要3個RR分區(qū)；根據(jù)本文提出的設(shè)計(jì)方案只需2個分區(qū)，因?yàn)楦鶕?jù)本文提出的分區(qū)算法，其中一些非連續(xù)的RM可以合并在一個RR區(qū)域。具體分區(qū)如圖9所示。

圖9 4種DPR分區(qū)方案分區(qū)

本文提出的動態(tài)部分可重構(gòu)設(shè)計(jì)方案中還增加了布線開關(guān)，即在不同的配置模式下，RR之間的連線通過布線開關(guān)進(jìn)行變換，生成新的走線，如圖10所示，其中（a）為常用方案與Vipin算法方案的靜態(tài)走線，只有固定走線；（b）為本文提出的方案走線，虛線中為固定布線，實(shí)線中為分區(qū)布線的新走線。

圖10 4種DPR設(shè)計(jì)內(nèi)部分區(qū)走線

本文采用了16個動態(tài)部分可重構(gòu)設(shè)計(jì)用例來測試本文提出的設(shè)計(jì)方案。這些設(shè)計(jì)用例由簡到繁，如表1所示。

表1 16個動態(tài)部分可重構(gòu)設(shè)計(jì)用例

整個配置時間的計(jì)算公式見式（1）[4]：

其中c是配置模式的總數(shù)，tconi,j是系統(tǒng)從模式i改變到模式j(luò)所需的重配置時間，tconi,j計(jì)算方法見式（2）：

其中di,j是一個變量，當(dāng)區(qū)域RRr在模式i和模式j(luò)下包含不同的RM模式時，di,j為1；否則為0。N是分區(qū)總數(shù)。tconr為配置區(qū)域RRr的時間，和該區(qū)域的面積成正比，區(qū)域面積Pr可以通過配置該區(qū)域所需的數(shù)據(jù)幀數(shù)表示，其計(jì)算公式見式（3）：

其中 t指單元種類，t∈（CLBs，DSP，Block RAMs），Wt是一個單元所需的配置幀數(shù)。Wclb=36,Wdsp=28,Wbr=30。Rrt是該區(qū)域包含t單元的個數(shù)。

所以總的配置時間為：

總的可重構(gòu)區(qū)域面積為所有分區(qū)的面積之和，計(jì)算公式見式（5）：

這里 Qr是區(qū)域 RRr中 CLBs、DSP、Block RAMs的數(shù)量，N是RRs的總數(shù)。

以4種配置模式4個RMs的應(yīng)用為例，配置模式與圖6相同，配置變化如下：

A1→B1→C1→D1

A2→B1→C2→D2

A3→B2→C2→D3

A2→B3→C3→D2

表2 4種配置模式4種RMs的用例分區(qū)情況

根據(jù)每種方案的分區(qū)情況，如表2所示，統(tǒng)計(jì)出每個區(qū)域包含的CLBs、DSP、Block RAMs的數(shù)量，根據(jù)式（4）計(jì)算出CLBs等單元所需的幀數(shù)，即總重配置時間，見表3。

表3 4種配置模式4種RMs的用例總配置時間

同理，可以計(jì)算出所有用例的總配置時間。圖11為4種方案總重配置時間的比較結(jié)果，縱坐標(biāo)為總配置時間，橫坐標(biāo)為配置模式數(shù)量，圖 11（a）、（b）、（c）、（d）分別為 RMs數(shù)量為 6、5、4、3種的情況。從圖 11可以看出，單區(qū)域劃分方案的時間最長，因?yàn)槊看沃嘏渲眯枰麄€RRs重構(gòu)。本文提出的方案所用時間最小，小于Vipin方案，因?yàn)閷⑼慌渲弥幸恍┓沁B續(xù)RM模式合并在一個RR的最優(yōu)化解決方案可以節(jié)省總重構(gòu)區(qū)域，從而減少了重配置時間。當(dāng)每個配置模式中的RM數(shù)量減少時，兩種分區(qū)算法的時間是相近的。因?yàn)檫@種情況下，非連續(xù)的RM模式合并不會導(dǎo)致RR區(qū)域的面積顯著減小。所以與常用方案相比，本文提出方案的總配置時間減小了30%到40%。本文提出方案與Vipin方案相比，應(yīng)用越復(fù)雜總時間減少越多，6種配置模式時減少10%左右。

圖11 4種DPR設(shè)計(jì)方案總配置時間測試結(jié)果對比

根據(jù)每種方案的分區(qū)情況，統(tǒng)計(jì)出每個區(qū)域包含的 CLBs、DSP、Block RAM s單元（Tiles）的數(shù)量，由公式（5）可以計(jì)算得到可重構(gòu)區(qū)域面積。圖12為4種設(shè)計(jì)方案的整個可重構(gòu)區(qū)域面積測試結(jié)果的比較，縱坐標(biāo)為總區(qū)域面積，橫坐標(biāo)為配置模式數(shù)量，從圖中可以看出，單分區(qū)方案的RRs區(qū)域面積最小，Vipin方案在所有DPR設(shè)計(jì)方案中面積較大。本文提出的方案通過允許相同配置模式中一些非連續(xù)RM模式合并到相同的RR中，從而減少了總的RRs面積。此外，從圖12（c）、（d）中可以看出，當(dāng)配置模式較少時，本文提出的方案基本可以達(dá)到最小分區(qū)面積，與Vipin方案相比最多降低18.5%。

圖12 4種DPR設(shè)計(jì)方案總配置區(qū)域面積測試結(jié)果對比

5 總結(jié)與討論

可重構(gòu)區(qū)域劃分技術(shù)和可重構(gòu)模塊資源位置分配技術(shù)對部分可重構(gòu)系統(tǒng)的性能有直接的影響。本文提出的部分可重構(gòu)設(shè)計(jì)方案從總重配置時間和總重構(gòu)面積兩個方面進(jìn)行了改進(jìn)，提出一種高效的設(shè)計(jì)方案，最后基于Xilinx 7系列FPGA在KC705平臺上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有的3種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對比。與Vipin算法設(shè)計(jì)方案相比，本文提出的DPR設(shè)計(jì)方案的重配置時間減少了10%，可重構(gòu)面積減少了18.5%。