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1、基于Xilinx系统中的System ACE实现FPGA全局动态可重配置设计现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）作为集成电路领域发展最快的一个分支，兼具ASIC电路的高性能和软件编程的灵活性，在数字逻辑系统中得到了非常广泛的应用。在主流的FPGA中，绝大多数都采用了SRAM来存放配置数据，称为SRAM FPGA。这种FPGA的突出优点是可以进行多次配置。通过给FPGA加载不同的配置数据，即可令其实现不同的逻辑功能FPGA这种可重配置的能力将给数字系统的设计带来很大的方便。FPGA的可重配置有两种方式：静态可重配置和动态可重配置翻。静态可重配置系
2、统在它的整个应用运行中不再改变FPGA的结构。一般是指在系统（或器件）上电以后，将存放在FPGA外部的非易失性存储器（如EEPROM）中的配置数据一次性加载到FPGA内部的配置存储器SRAM中，在系统运行期间，SRAM中的配置数据始终保持不变；当系统再次启动时，则可以通过加载不同的配置数据来改变FPGA的逻辑功能。传统的FPGA采用静态配置的方法。所以在应用它的生命周期中，其功能就不能再改变。除非上电重新配置。动态可重配置系统在系统工作运行过程中改变FPGA的结构一般指在系统运行期间，随时可以通过对FPGA的重新配置来改变其逻辑功能。而且并不影响系统其他部分的正常运行。根据可重配置部分的大小可
3、分为全局动态可重配置和局部动态可重配置13l。这里探讨了全局动态可重配置技术，并详细阐述使用Xilinx系统高级配置环境System ACE（System Advanced ConfiguraTIon Environment）实现Virtex-5全局动态可重配置的关键问题。1 System ACE技术Xilinx提供系统高级配置环境（System ACE）是为了满足多FPGA空间有效性、高密度，配置解决方案的需要，该配置方案仅支持FPGA而不支持CPLD和PROM。System ACE是一种全新的在系统可编程配置解决方案。合理利用此技术可以方便的实现全局动态可重配置，实现FPGA的时分复用。提
4、高资源利用率。System ACE CF饵决方案包括System ACE控制器和普通商用的CF卡2部分。图l所示为System ACE CF控制器框图。System ACE控制器有4个接口，其中Compact Flash接口。MPU接口，Test JTAG接121都可以通过ConfiguraTIon JTAG接口来配置FPGA。这里主要采用Compact Flash接口的多个位流配置文件来实现FPGA的重配置。Compact Flash接口兼容标准的CF卡（最大8 GB）和日立的微驱动器件（最大6 GB）。2 实现动态可重配置的硬件设计及原理System ACE和FPGA的JTAG连接方式如图
5、2所示，JTAG下载线端口连接System ACE的Test JTAG端FPGA的JTAG端口连接System ACE的ConfigumTIon JTAG端。使用中FPGA选择JTAG配置模式。CF卡存放要配置的位流文件，最多可以存储8个不同的位流配置文件配置文件的选择由地址线CFGADDR【2：0】决定，3位地址线可以无冲突的选择配置8个配置文件中的一个。当需要对FPGA重配置时只需要调整配置地址线CFGADDR的状态，使其指定相应的配置文件，然后拉低RESET管脚，使System ACE控制器复位，System ACE控制器就会按照新指定的配置地址重新读取配置文件并通过ConfiguraT
6、IonJTAG口配置FPGA。实际应用中可以使用用户定义逻辑的可编程逻辑器件CPLD通过重配置转移条件来控制CFGADDR和RESET的状态，自动地实现重配置，也可以使用外部拨码开关，手动控制CFGADDR和RESET来实现重配置，其配置时序如图3所示。3 实现方法细节31 配置文件和配量引导文件使用iMPACT工具中的System ACE选项。将指定的.bit位流文件转化为ace配置文件，同时会自动生成Xilinxsys配置引导文件。其中，ace配置文件用来配置FPGA，Xilinxsys配置引导文件用来引导System ACE寻找指定的配置文件。其内容（可根据需要自行修改）如下：是CF卡根
7、目录下的文件夹名。系统会进人此文件夹查找配置文件；，是目录下的文件夹名，其中直接存放配置文件，且每个文件夹下只能存放1个ace文件。32 CF卡存放文件的目录结构根据配置文件个数的多少，CF卡内存放文件的目录结构有以下2种：1）当存在大于等于1个配置文件时，根目录下存放文件夹和Xilinxsys配置引导文件，文件夹下存放，文件夹。文件夹下存放各自的ace配置文件（cfgX_name文件夹也可以为空）。System ACE CF控制器根据其外部的配置地址（CFGADDR）管脚状态选文件夹和配置文件。2）当只有1个配置文件时。可以直接将ace配置文件存放在CF卡的根目录下。不需要Xilinxsys
8、配置引导文件。此模式下。系统缺省直接使用这个ace文件配置FPGA，忽略外部的配置地址管脚状态。33 CF卡的文件和格式化要求1）CF卡分区必须使用FATl2或FATl6格式化，System ACE CF控制器不支持FAT32文件系统。FAT12格式下分区容量最大为16 MB（最多4096个簇。每簇最大4 KB），FATl6格式下分区容量最大为2 GB（最多65 536个簇，每簇最大32 KB）。2）每簇的扇区个数必须大于1。每个扇区的容量为128x2N字节（DOS下N取2）。3）System ACE CF文件必须放在CF卡第1个分区下面。4）CF卡第1个分区的分区导入记录必须指定为1个保留扇
9、区。Windows 2000，Windows NT和Windows 98操作系统下格式化时缺省为1个保留扇区。但是Windows XP下格式化CF卡时会根据CF卡的密度自动生成为28个保留扇区。因此，Windows XP下格式化的CF卡不能直接使用，这时可以使用mkdosfs工具在Windows XP下手动输入指定格式化的参数。5）文件名按照FAT8.3格式规范命名。其他的文件和目录可以和System ACE文件和目录共存。4 结束语本文给出了一种利用System ACE实现FPGA全局动态可重配置的方法并详细讨论了实现的技术细节。实验中采用本方法实现了Virtex系列的5VFX70T器件的全局动态可重配置，方案设计合理可靠，达到预定目标。合理使用全局动态可重配置技术可以使FPGA在不同的时间段内。作为不同的硬件电路使用。并且在切换过程中，电路板不需要断电重上电，因此不会影响除FPGA外的其他电路的正常工作。因此，与静态可重配置相比。FPGA的动态可重配置具有更广阔的应用前景。