ZYNQ学习笔记-局部重构Partial Reconfiguration

Posted 2022-02-21 姚家湾

        动态局部重构Dynamic Partial Reconfiguration(DPR)，顾名思义，局部重构是当下载了全部的bit 配置以后，可以通过下载局部分区bit 文件来动态修改对应分区的逻辑功能，同时其余分区的逻辑功能持续运行而不中断。

典型应用

局部重构优化了传统的FPGA 应用，通过这项技术减少了尺寸，重量，功耗和成本。

         一个典型的例子是网络交换机。每个网络交换机都具有多个端口，每个端口能够支持多种接口，比如10GigE ，OC48和光纤等等。然而在FPGA配置之前，无法预测用户将会使用哪一种网络接口，于是只能将每个端口的所有的接口控制逻辑都在FPGA 中实现。如下图所示：

显然这种方式浪费了FPGA内部的资源，增加了FPGA 的面积和功耗。局部重构能够实现更有效的设计方法，如下图所示：

在设个设计中，我们将各种类型的网络接口的控制逻辑预先设计并编译成为bitstream 文件，存储在处理机的存储空间或者SD card 上，当用户配置某一类型的网络接口时，将相应的bitstream 下载到相关的局部重构块中。

局部重构技术在工业控制器设计中同样是需要的。例如在模块化PLC 中，有多种IO模块存在，使用背板FPGA 实现高速IO 逻辑，例如高速PWM信号，脉冲计数，解码器接口，和模拟量采集，每个IO模块的插槽有十几根IO控制线。但是每个插槽对应的FPGA 的控制逻辑与插入的IO模块相对应，在PLC 出厂时是无法确定的。因此，可以使用FPGA的 动态局部逻辑配置的功能。当处理器通过IO模块内部的EEPROM 的数据确定IO模块的类型。然后将对应逻辑的bit 下载到局部分区中。

动态局部配置与matlab /simulink算法

           matlab是著名的科学计算软件。而simulink是在matlab基础上构建的建模。仿真和分析的软件。不仅如此，matlab/simulink 能够生成产品级 C、C++、CUDA、PLC、Verilog 和 VHDL 代码，并直接部署到您的嵌入式系统。现在，matlab、simulink 的应用已经非常广泛，包括了无线通信，电力电子，控制系统，机器人，高级驾驶辅助系统，数字孪生，人工智能等领域。 matlab/simulink 采用了基于模型的设计方法，直接生成各种产品级代码，实现了从“模型到代码”的设计自动化。这是最受欢迎的功能之一。省去了大量编码和FPGA 设计繁琐工作，大大提高了原型设计的效率。

   基于模型设计的思想受到各类行业工程师的欢迎，不过，实现这一理想是复杂的过程，目前matlab 支持的Xilinx 和Intel的FPGA 系列。实现matlab to fpga 的过程大至如下

•   1 使用matlab/simulink 建模与仿真
•   2 导出算法的verilog 语言。
•   3 使用FPGA 设计软件将verilog 算法添加到vivado 的工程中。产生一个IP 核。
•   4 Simulink 通过以太网与ZYNQ 处理器通信，ZYNQ 处理器通过AXI接口访问IP核。
•   5 处理器通过FPGA 的PCAP（Processor Configuration Access Port ）和ICAP（Internal Configuration Access Port）实现FPGA 的配置。
•   6 结合FPGA的动态局部重构技术实现Matlab to FPGA 的功能。

        根据IP 核的具体要求，可以选择不同的AXI接口，例如使用AXI_DMA 实现IP核与处理器之间的高速数据传输，通过AXI_Lite 实现寄存器访问和配置。

        上图是一个高级架构图，显示了 Zynq 平台上处理器和 FPGA 架构之间的流式数据传输。通常，AXI4-Stream 接口与 DMA 控制器一起使用，将大量数据从处理器传输到 FPGA。数据通常在软件端表示为矢量数据。DMA 控制器从内存中读取矢量数据，并通过 AXI4-Stream 接口将其“流式传输”到 FPGA IP。“流”过程每个样本发送一个数据元素，这意味着 FPGA IP 中流算法的数据路径使用标量数据类型。

动态局部配置与IEC61499 功能块

        IEC61499 是面向分布式工业控制，测量和监督系统的功能块的标准。大多数IEC61499 功能块是软件实现的。为了提高IEC61499 功能块执行的实时性，一部分IEC61499 功能块，复合功能块以及子应用能够使用FPGA 来实现。例如PWM 发生器，模拟数据采集，PID 闭环控制算法，模拟信号的数字信号处理（DSP），滤波，FFT等算法都可以使用FPGA来实现。近几年流行的AI算法也能够通过HDL 来实现。并且下载到FPGA 的动态局部分区中运行。

ZYNQ 动态局部配置的机制

        动态局部重构机制将IP 核的bitstream 存储在处理器（PS）端的存储器中，通过软件和接口将bit文件下载到局部重构块中。在ZYNQ 中，有两种用于PR 的方案，它们分别是：

PCAP（Processor Configuration Access Port）

ICAP（ Internal Configuration Access Port）

PCAP

ZYNQ 的启动过程大致如下：

参考《Zynq UltraScale\\+ Device Technical Reference Manual》，FSBL 在写入BitStream 之前，初始化PCAP接口。通过PCAP写入Bitstream。

ICAP接口

ICAP 是Xilinx公司提供的一个AXI4 IP核。它用来访问FPGA 内部的配置存储器。它基于AXI Lite 接口。

PCAP与ICAP 的差别

        通过XDcfgtransferBitFile 函数将RP的Bitstream 从DRAM 传送到PCAP，这种方案的主要优点是不需要使用任何PL 资源。传输的吞吐量为128MB。它的主要缺点是在重构时挂起了处理器。

    Xilinx 同样提供了一个IP核(AXI_HWICAP)和程序库XHwIcapdeviceWrite。允许使用ICAP来实现PR。AXI_Lite接口通过GP 端口将它连接到PS。由于这种方式不使用DMA 所以转送速率为19MB。也可以使用DMA 方式。

vivado 设计流程

网络上有一些vivado 软件开发PR 的文章，但是比较凌乱。 下面我们按照

xilinx fpga 部分动态重配置（Partial Reconfiguration）设计实现 一文的提示的方法的过程。

同时参考XILINX公司的ug909-vivado-partial-reconfiguration.pdf

在这个实例中，我们设计两个RP模块，一个固定模块

其中：

PM_LED 是局部重构模块，可以配置为1秒或者4 秒闪烁。LED2 是固定模块2秒闪烁。

它们对应的verilog 文件：

led.v     1秒

led_4s   4 秒

led2_2s  2 秒

设计过程

1 建立一个项目，将top.v ,led.v和led.v 导入源文件。

注意：在构建项目时，只要导入一个RM模块的源代码（led.v）就可以了。

2一旦项目建成后，将项目转变为局部重构项目，选择Tools > Enable Partial Reconfiguration.

 这个操作是不可逆的。所以，如果需要，要做好预先保存。

3 一旦项目转变为PR 项目，要定义重构分区（Reconfigurable Partitions）。在led模块的名称击右键。选择Create Partition Definition

在对话框中输入相应的pd和pm名字，这里分别输入led和led_1s。

4 配置该项目的所有细节，包括为每个重构分区（Reconfigurable Partitions）添加额外的可重构模块（Reconfigurable Modules）。所有这些工作都通过（Dynamic Function eXchange wziard）完成。

在这里，我们设置partion Definition name 为led，Reconfiguration module Name为led_4s

并且添加led_4s.v 文件。，如果由更多的RM 模块，想必也是通过这个方式添加。

5 开始FPGA 的综合（Run Synithesis），这是一个漫长的过程。

6 当综合完成之后，要在FPGA 中划出一个区域作为PM 的物理位置。

7. 实现及生成bit

结束语

到此为止，事情还没有完成。许多的疑问：

• 如何加入PCAP或ICAP 接口模块
• 上层软件如何编写
•  从上面的设计过程看，在设计PR项目时，每个RM 的源代码已经完成，如果像Matlab/Simulink
•  产生的verilog 代码，在项目的设计时没有确定代码，如何定义可重构分区呢？能够预留么？

慢慢来吧！