基于FPGA的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)研究

　　3.2 通信結(jié)構(gòu)

　　3.2.1 分類

　　基于片上總線策略的通信結(jié)構(gòu)有： RMBoC(Reconfigurable Multiple Bus on Chip)和BUSCOM。基于片上網(wǎng)絡(luò)策略的通信結(jié)構(gòu)有： DyNoC(Dynamic Network on Chip)和CoNoChi(Configurable Network on Chip) 。

　　RMBoC是為多處理器系統(tǒng)提出的，基于可重構(gòu)多總線網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)而來(lái)的。任何系統(tǒng)級(jí)的重構(gòu)都不會(huì)改變RMBoC的模塊和物理拓?fù)?，?yīng)用層上的通信結(jié)構(gòu)改變是通過(guò)層疊網(wǎng)上的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通道。該結(jié)構(gòu)具有高靈活性，但是可伸縮性較弱，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 RMBoC結(jié)構(gòu)圖

　　DyNoC是首個(gè)將基于包的NoC方案用于可重構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，它由處理單元和路由器組成二維陣列，每個(gè)處理單元都連接一個(gè)路由器，路由器之間相互連接。該結(jié)構(gòu)的可伸縮性、延展性和可模塊化性能都很好，只是靈活性欠佳。一個(gè)5×5的DyNoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 5×5 DyNoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　4種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，執(zhí)行參數(shù)（在VirtexII上實(shí)驗(yàn)得到）見(jiàn)表2。特別指出，片上總線的執(zhí)行參數(shù)是針對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)，而片上網(wǎng)絡(luò)的執(zhí)行參數(shù)是針對(duì)單個(gè)交換節(jié)點(diǎn)。

　　這4種結(jié)構(gòu)都能很好地滿足動(dòng)態(tài)可重構(gòu)FPGA的設(shè)計(jì)要求。片上網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了較好的結(jié)構(gòu)參數(shù)，但是片上面積花費(fèi)巨大，所以當(dāng)設(shè)計(jì)側(cè)重片上效率時(shí)，首選片上總線的結(jié)構(gòu)。

　　另外，BUSCOM只需要很少的硬件資源，而在分層總線結(jié)構(gòu)中RMBoC的靈活性優(yōu)于BUSCOM；CoNoChi具有最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)，是理論上最支持動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的結(jié)構(gòu)，但是在VirtexII平臺(tái)上執(zhí)行具有一定困難，因而設(shè)計(jì)了DyNoC來(lái)適應(yīng)VirtexII平臺(tái)有限的可重構(gòu)能力。

　　3.2.2 DyNoC的應(yīng)用實(shí)例

　　交通燈控制(TLC)可以用一個(gè)3×3的DyNoC來(lái)實(shí)現(xiàn)，由3個(gè)模塊組成: VGA控制器(VGA),交通燈視覺(jué)模塊(LV)和交通燈控制模塊(TC)。VGA模塊可以顯示目前路口情況、行人控制鍵和燈信號(hào)；交通燈視覺(jué)模塊負(fù)責(zé)控制交通燈內(nèi)部構(gòu)造，由VGA模塊顯示；交通燈控制模塊(TC)用來(lái)獲取行人需求。VGA發(fā)出X和Y 像素掃描的位置給交通燈視覺(jué)模塊，并接收需要顯示的顏色；FSM模塊用來(lái)監(jiān)控行人的鍵控輸入（片上有兩個(gè)按鈕），向交通燈視覺(jué)模塊發(fā)送轉(zhuǎn)換燈狀態(tài)的信息，然后顯示相應(yīng)顏色的燈。在3×3 DyNoC中，用正中的路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)與其他所有路由器的連接，其他路由器也保持相互通信以確保高通信量。整個(gè)交通燈控制(TLC)的實(shí)現(xiàn)可以在沒(méi)有中斷和故障的情況下運(yùn)行。

表1 4種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 執(zhí)行參數(shù)（在VirtexII上實(shí)驗(yàn)得到）

　　4 相關(guān)問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)

　?、?目前片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)中各IP組件可重用，但通信結(jié)構(gòu)無(wú)法重用。因此在系統(tǒng)重構(gòu)時(shí)，怎樣為動(dòng)態(tài)配置的模塊提供一個(gè)靈活快速的通信接口成為主要問(wèn)題?？裳芯恳环N動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的NoC架構(gòu)，能為各IP之間的通信提供靈活的接口，并能通過(guò)片上引腳與板級(jí)系統(tǒng)的其他芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，提供較好的通信質(zhì)量QoS，包括高吞吐量和短延遲等。

　?、?NoC設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問(wèn)題是決定路由類型，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能和功耗有重要影響。路由策略越復(fù)雜，設(shè)計(jì)面積就越大，因此需要在面積和性能之間進(jìn)行折中。選擇路由策略應(yīng)主要考慮實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性和性能需求兩大問(wèn)題。

　?、?重構(gòu)時(shí)隙將影響系統(tǒng)功能的連續(xù)性，為提高動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)性能,如何避免或減少重構(gòu)時(shí)隙是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)的瓶頸問(wèn)題。對(duì)于多重context結(jié)構(gòu)的 DRFPGA,直接通過(guò)context間切換來(lái)改變配置信息,控制陣列單元實(shí)現(xiàn)新功能重構(gòu),切換速度直接影響重構(gòu)時(shí)間的長(zhǎng)短,一般僅需幾ns。這種重構(gòu)方式的實(shí)現(xiàn)是動(dòng)態(tài)重構(gòu)技術(shù)發(fā)展的主要標(biāo)志。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹了可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)和典型的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)；詳細(xì)分析了動(dòng)態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)，并對(duì)4種通信結(jié)構(gòu)的主要性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出對(duì)比數(shù)據(jù)；列舉了一種結(jié)構(gòu)在交通燈控制中的應(yīng)用實(shí)例；最后探討了動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)研究面臨的相關(guān)問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)。