Xilinx FPGA的Fast Startup

 　　在眾多當(dāng)代應(yīng)用中，嵌入式系統(tǒng)必須滿足極其苛刻的時(shí)序要求。其中之一就是啟動(dòng)時(shí)間——即上電后電子系統(tǒng)進(jìn)入可操作狀態(tài)所需要的時(shí)間。PCI Express產(chǎn)品或汽車應(yīng)用中基于CAN的電子控制單元(ECU)就是具有嚴(yán)格時(shí)序要求的電子系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。

　　標(biāo)準(zhǔn)PCI Express(PCIe)系統(tǒng)上電后僅100毫秒，系統(tǒng)的根組件就開始掃描總線以便弄清拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在這一過程中進(jìn)行初始化配置。 如果PCIe設(shè)備沒有準(zhǔn)備好響應(yīng)配置請(qǐng)求，根組件就找不到此PCIe設(shè)備，并認(rèn)為它不存在。該設(shè)備將無法加入PCIe總線系統(tǒng)。[1]

　　汽車應(yīng)用中的情形與此大體相仿。在基于CAN的網(wǎng)絡(luò)中，ECU進(jìn)入睡眠模式，這時(shí)它們將停止運(yùn)行并切斷電源連接。只有很少部分電路仍然保持戒備狀態(tài)，以便探測喚醒信號(hào)。一旦出現(xiàn)喚醒事件，ECU就會(huì)重新連接電源并開始引導(dǎo)。雖然在喚醒事件后的頭一個(gè)100 毫秒內(nèi)允許錯(cuò)過一些消息，但在此之后所有ECU都必須在網(wǎng)絡(luò)(如CAN網(wǎng)絡(luò))上做好充分的運(yùn)行準(zhǔn)備。

　　Xilinx Automotive、Xilinx研究實(shí)驗(yàn)室以及德國卡爾斯魯厄技術(shù)研究所之間合作展開了深入的研發(fā)工作，正在設(shè)法通過一種FPGA兩步配置方法解決這一問題。

　　半導(dǎo)體行業(yè)的科技趨勢已經(jīng)能使FPGA廠家大大增加其器件中的資源。但比特流規(guī)模也在成比例地增長，配置器件需要的時(shí)間也是如此。因此，即使對(duì)于中等規(guī)模的FPGA，使用低成本配置方案也不可能滿足嚴(yán)格的啟動(dòng)時(shí)序要求。圖1表示不同的Xilinx® Spartan®-6 FPGA器件在使用低成本SPI/Quad-SPI配置接口時(shí)的配置時(shí)間。即使使用快速配置方案(即在40 MHz配置時(shí)鐘下運(yùn)行的Quad-SPI)，也只有小型FPGA器件才能達(dá)到100 毫秒的啟動(dòng)時(shí)序要求。對(duì)于Xilinx Virtex®-6器件來說，這個(gè)結(jié)果看來更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫@些器件提供了更豐富的FPGA資源。

　　為了克服這個(gè)難題，F(xiàn)ast Startup分兩步配置FPGA器件，而非單步(整片)的全器件配置。按照這種新穎的思路，我們的策略是在上電時(shí)使用最高優(yōu)先級(jí)比特流僅載入時(shí)序關(guān)鍵模塊，然后再載入非時(shí)序關(guān)鍵模塊。這種方法最大程度地減少了初始配置數(shù)據(jù)，從而最大程度地減少了在面向時(shí)序關(guān)鍵設(shè)計(jì)的FPGA器件啟動(dòng)時(shí)間。

　　FAST STARTUP對(duì)比部分重配置

　　Fast Startup允許FPGA設(shè)計(jì)盡快啟動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵模塊，關(guān)鍵模塊的啟動(dòng)速度比標(biāo)準(zhǔn)全配置方法要快得多[2]。雖然，從本質(zhì)上來講Fast Startup利用了部分重配置，但它與這種方法的傳統(tǒng)概念所有不同。部分重配置的初衷是將完整設(shè)計(jì)作為可在運(yùn)行時(shí)修改的初始配置使用。相反，F(xiàn)ast Startup已經(jīng)使用了一個(gè)初始的部分比特流，以在上電時(shí)僅僅配置FPGA器件的一個(gè)特定(很小的一部分)區(qū)域。第一次配置僅包含完整FPGA設(shè)計(jì)中必須配置和快速運(yùn)行的那些部分。而剩下的部分則在以后、在運(yùn)行時(shí)，利用部分重配置進(jìn)行配置。圖2說明了這一順序概念。

　　工具流程概述

　　Fast Startup的工具流程依靠設(shè)計(jì)保存流程，來創(chuàng)建針對(duì)時(shí)序關(guān)鍵子系統(tǒng)及非時(shí)序關(guān)鍵子系統(tǒng)的部分比特流。

　　設(shè)計(jì)保存流程將FPGA設(shè)計(jì)分割為邏輯模塊(稱為“分區(qū)”)。分區(qū)構(gòu)成了層次邊界，將內(nèi)部模塊與設(shè)計(jì)中的其他組件相互隔離。分區(qū)一旦實(shí)現(xiàn)(即完成布局和布線)，就能被其他實(shí)現(xiàn)運(yùn)行導(dǎo)入，以按照每個(gè)實(shí)例中完全相同的方式實(shí)現(xiàn)該分區(qū)的模塊[3]。

　　因此，使用Fast Startup方法的第一步是將完整的FPGA設(shè)計(jì)分成兩部分：即含有時(shí)序關(guān)鍵子系統(tǒng)的高優(yōu)先級(jí)分區(qū)和針對(duì)其余組件的低優(yōu)先級(jí)分區(qū)。

　　圖1-計(jì)算出的Spartan-6配置時(shí)間的對(duì)數(shù)表示(按最壞情況計(jì)算)

　　圖2 – Fast Startup概念：順序配置

　　高優(yōu)先級(jí)分區(qū)的實(shí)現(xiàn)

　　為了得到盡可能小的高優(yōu)先級(jí)分區(qū)的部分比特流，設(shè)計(jì)中有一些一般性問題需要考慮。首先，該分區(qū)必須只能包含此類組件：或者是時(shí)序關(guān)鍵組件，或者是系統(tǒng)需要這些組件來執(zhí)行低優(yōu)先級(jí)部分(如ICAP)的部分重配置。得到小規(guī)模初始部分比特流的關(guān)鍵是使用盡可能小的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高優(yōu)先級(jí)分區(qū)。也就是說，您必須將這個(gè)分區(qū)局限在FPGA中的一個(gè)適當(dāng)區(qū)域中。

　　為了在FPGA中找到理想的物理位置，這個(gè)區(qū)域應(yīng)該提供該設(shè)計(jì)需要的適當(dāng)數(shù)量的資源。訪問該區(qū)域以外的資源也是可行的，但我們不鼓勵(lì)這么做——盡管對(duì)于I/O引腳來說，

　　這樣做一般是無法避免的。在尋找適當(dāng)區(qū)域時(shí)，還要牢記的是這個(gè)FPGA區(qū)域有可能會(huì)妨礙FPGA設(shè)計(jì)中非時(shí)序關(guān)鍵部分的資源。

　　當(dāng)您已經(jīng)對(duì)FPGA進(jìn)行分區(qū)，且已經(jīng)找到了這些分區(qū)的適當(dāng)區(qū)域之后，下一步就是使用一個(gè)空的(黑盒子)低優(yōu)先級(jí)分區(qū)實(shí)現(xiàn)高優(yōu)先級(jí)分區(qū)。得到的比特流含有很多針對(duì)未使用資源的配置幀。您可以刪除這些幀，以便得到針對(duì)初步配置高優(yōu)先級(jí)分區(qū)的有效部分比特流。[4]

　　低優(yōu)先級(jí)分區(qū)的實(shí)現(xiàn)

　　為了創(chuàng)建低優(yōu)先級(jí)的部分比特流，首先，您要?jiǎng)?chuàng)建含有這兩個(gè)分區(qū)(即高優(yōu)先級(jí)分區(qū)和低優(yōu)先級(jí)分區(qū))的完整FPGA設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。從以前的實(shí)現(xiàn)中導(dǎo)入高優(yōu)先級(jí)分區(qū)，從而保證其實(shí)現(xiàn)方法與原來的實(shí)現(xiàn)方法相同。

　　對(duì)于Virtex-6器件而言，部分重配置(PR)流程可用于所有上述的實(shí)現(xiàn)。這樣，就會(huì)自動(dòng)得到針對(duì)低優(yōu)先級(jí)分區(qū)的部分比特流。由于Spartan-6器件 系列不支持PR流程，在實(shí)現(xiàn)針對(duì)Spartan-6設(shè)計(jì)的Fast Startup時(shí)，我們使用了針對(duì)差異化的部分重配置的BitGen選項(xiàng)，以獲得低優(yōu)先級(jí)分區(qū)的部分比特流。[5]圖3給出了該工具流程的高層概覽。

　　圖3 – Fast Startup工具流程

　　實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

　　為了在硬件中驗(yàn)證Fast Startup配置方法，我們的研究小組在一塊Virtex-6 ML605板和一塊Spartan-6 SP605板上實(shí)現(xiàn)了這種方法。

　　Virtex-6實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用背景源自視頻領(lǐng)域。用戶接通視頻系統(tǒng)電源時(shí)，他們總是希望立刻就看到系統(tǒng)有所響應(yīng)，而不用等待數(shù)秒。因此，在圖4所示的系統(tǒng)中，一個(gè)配備了TFT控制器的高優(yōu)先級(jí)子系統(tǒng)可以迅速點(diǎn)亮TFT屏幕。對(duì)于其他低優(yōu)先級(jí)應(yīng)用，即第二個(gè)設(shè)計(jì)提供了對(duì)以太網(wǎng)內(nèi)核、UART和硬件計(jì)時(shí)器的控制和訪問。

　　圖4 – Virtex-6和Spartan-6演示(Virtex-6包括TFT模塊，Spartan-6僅包括CAN模塊)的基本框圖

　　對(duì)于這種演示來說，我們使用帶BPI的外置閃存作為配置接口。一旦初始高優(yōu)先級(jí)比特流配置完該處理器子系統(tǒng)，在BRAM外運(yùn)行的軟件將初始化TFT控制器，并將數(shù)據(jù)寫入DDR內(nèi)存中的幀緩沖器。這樣就能確保啟動(dòng)時(shí)屏幕迅速顯示在TFT上面。之后，從BPI閃存中讀出第二個(gè)比特流，并配置低優(yōu)先級(jí)分區(qū)，這樣處理器子系統(tǒng)可以運(yùn)行其他應(yīng)用程序，如Web服務(wù)器。

　　為方便擴(kuò)展和清晰隔離兩個(gè)分區(qū)，我們使用了AXI至AXI橋接器。這也在最大程度上減少了穿過兩個(gè)設(shè)計(jì)分區(qū)邊界的網(wǎng)絡(luò)。低優(yōu)先級(jí)分區(qū)與高優(yōu)先級(jí)分區(qū)共享系統(tǒng)時(shí)鐘。

　　表1表示FPGA資源利用情況，表2表示傳統(tǒng)啟動(dòng)方法、僅有高優(yōu)先級(jí)分區(qū)壓縮比特流的啟動(dòng)方法[6]和Fast Startup配置方法的配置時(shí)間。每種方法都使用BPIx16配置接口，而采用的配置速率(這個(gè)選項(xiàng)決定了目標(biāo)配置時(shí)鐘頻率)為2 MHz和10 MHz。我們使用一臺(tái)示波器測量了該數(shù)據(jù)，捕獲了FPGA的“init”和“done”信號(hào)。 表2中“壓縮的”一欄表示僅有高優(yōu)先級(jí)分區(qū)的壓縮比特流。含有兩個(gè)分區(qū)的完整FPGA設(shè)計(jì)的壓縮比特流將達(dá)到3.1 Mbyte。

　　表2 – 測得的配置時(shí)間(Virtex-6視頻設(shè)計(jì))

　　SPARTAN-6汽車ECU設(shè)計(jì)

　　為了驗(yàn)證針對(duì)Spartan-6的Fast Startup方法，我們選擇了汽車領(lǐng)域的ECU應(yīng)用情形。每當(dāng)您在汽車電子控制單元中看到一個(gè)FPGA器件時(shí)，它一般都僅由ECU的主應(yīng)用處理單元使用(見圖5)。我們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一種將系統(tǒng)處理器放入FPGA中的設(shè)計(jì)。這樣我們就能避免對(duì)外置處理器的需要，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的成本、復(fù)雜性、空間和功耗。

　　圖5 – 現(xiàn)代汽車ECU中的FPGA應(yīng)用，F(xiàn)PGA中集成了處理器(虛線)

　　系統(tǒng)分區(qū)

　　對(duì)于這種情形，系統(tǒng)分區(qū)是顯而易見的。我們把我們ECU設(shè)計(jì)分成作為高優(yōu)先級(jí)分區(qū)的系統(tǒng)處理器部分和作為低優(yōu)先級(jí)分區(qū)的應(yīng)用處理部分。

　　這種設(shè)計(jì)與Virtex-6設(shè)計(jì)存在很多相似之處，但不同的是，我們用SPI取代BPI作為外置閃存的接口，因此必須用CAN控制器取代TFT控制器。上電后，系統(tǒng)控制器只有有限的時(shí)間引導(dǎo)并準(zhǔn)備好處理第一個(gè)通信數(shù)據(jù)。由于ECU使用CAN總線用于通信，這個(gè)引導(dǎo)時(shí)間一般限制為100毫秒。按照傳統(tǒng)配置方法，使用帶低成本配置接口(如SPI或Quad-SPI)的大型Spartan-6很難達(dá)到如此嚴(yán)格的時(shí)序要求。而使用速度更快、更加昂貴的配置接口在汽車領(lǐng)域中是無法接受的。

　　測量裝置

　　對(duì)于SP605汽車ECU演示來說，我們在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了測量，圖6給出了測量裝置。圖中左側(cè)是一個(gè)基于Spartan-3的X1500汽車平臺(tái)，它實(shí)現(xiàn)了針對(duì)CAN總線的網(wǎng)絡(luò)發(fā)包器，該發(fā)生器能夠收發(fā)CAN消息并使用硬件計(jì)時(shí)器測量CAN消息之間的時(shí)間。右側(cè)為目標(biāo)平臺(tái)，它沒有直接與CAN總線相連，而是使用來自額外的定制電路板的CAN收發(fā)器。除了提供一個(gè)CAN PHY之外，這個(gè)定制電路板還要控制目標(biāo)電路板的電源。

　　圖6 – 汽車ECU的測量裝置

　　測量配置時(shí)間的程序從網(wǎng)絡(luò)發(fā)包器處于空轉(zhuǎn)(空檔)狀態(tài)下開始，此時(shí)CAN PHY電路板上的CAN收發(fā)器也處于睡眠模式，SP605也與電源斷開。接著，網(wǎng)絡(luò)發(fā)包器啟動(dòng)一個(gè)硬件計(jì)時(shí)器并發(fā)送一條CAN消息。識(shí)別CAN總線上的事件后，CAN PHY被喚醒并重新讓SP605接通電源。然后FPGA開始載入來自SPI閃存的初始比特流。

　　由于沒有接收器確認(rèn)由網(wǎng)絡(luò)發(fā)包器發(fā)送的消息，這條消息立刻重復(fù)發(fā)送，直至FPGA已經(jīng)完成其配置并用有效的波特率配置了CAN內(nèi)核。一旦Spartan-6設(shè)計(jì)的CAN內(nèi)核確認(rèn)了這條消息，網(wǎng)絡(luò)發(fā)包器的CAN內(nèi)核將觸發(fā)一個(gè)中斷，由這個(gè)中斷停止硬件計(jì)時(shí)器。該計(jì)時(shí)器現(xiàn)在保存著SP605設(shè)計(jì)的引導(dǎo)時(shí)間。測量結(jié)果包括SP605設(shè)計(jì)內(nèi)一個(gè)額外的硬件計(jì)時(shí)器，此結(jié)果表明，當(dāng)執(zhí)行該軟件來配置內(nèi)置BRAM內(nèi)存的CAN內(nèi)核時(shí)，軟件啟動(dòng)時(shí)間可以忽略不計(jì)。

　　表3表示每個(gè)分區(qū)的FPGA資源消耗。百分比信息是用來表示使用的XC6S45LXT器件的有效資源的總數(shù)量。

　　表3 – Spartan-6設(shè)計(jì)中占用的FPGA資源

　表4 – 測得的Spartan-6配置時(shí)間

　　表4表示配置時(shí)間的測量結(jié)果。對(duì)于這些結(jié)果，我們實(shí)現(xiàn)并比較了完整設(shè)計(jì)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)比特流和一個(gè)壓縮比特流以及使用部分初始比特流的Fast Startup方法。該表列出了針對(duì)不同SPI總線帶寬和不同配置速率(CR)設(shè)置的配置時(shí)間。不出所料，配置時(shí)間與比特流大小成正比。由于使用快速配置，時(shí)鐘沒有影響清倉過程(housecleaning process)，高CR設(shè)置的比率(按百分比)發(fā)生了變化。

　　在硬件中驗(yàn)證

　　我們開發(fā)的高級(jí)配置方法可以稱為優(yōu)先化的FPGA啟動(dòng)，因?yàn)樗謨刹脚渲闷骷?。這種方法不僅對(duì)于解決現(xiàn)代FPGA中配置時(shí)間不斷增加的挑戰(zhàn)是必不可少，而且也能在很多現(xiàn)代應(yīng)用中得到使用，如PCI Express或基于CAN的汽車系統(tǒng)。

　　除了提出高優(yōu)先級(jí)初始配置方法，我們還在硬件中對(duì)這種方法進(jìn)行了驗(yàn)證。我們使用并測試了針對(duì)Fast Startup的工具流程和方法，以在Spartan-6評(píng)估板(SP605)上實(shí)現(xiàn)基于CAN的汽車ECU，以及在Virtex-6原型板上實(shí)現(xiàn)視頻設(shè)計(jì)。通過使用這種新穎的方法，我們減小了初始比特流大小，從而使配置時(shí)間改進(jìn)了84%(與標(biāo)準(zhǔn)完整配置方案相比)。

　　Xilinx將在針對(duì)7系列FPGA的軟件中支持針對(duì) PCI Express應(yīng)用的Fast Startup概念，并通過優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)方法簡化其使用。在7系列中，新的兩步比特流方法是實(shí)現(xiàn)起來最簡單最低成本的方法。設(shè)計(jì)FPGA時(shí)，用戶可以通過一個(gè)簡單的軟件開關(guān)實(shí)現(xiàn)兩級(jí)比特流。該比特流的第一級(jí)僅包含配置時(shí)序關(guān)鍵模塊需要的配置幀。配置時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)FPGA STARTUP序列，關(guān)鍵模塊變成活動(dòng)模塊，這樣就可輕易滿足100毫秒時(shí)序要求。當(dāng)時(shí)序關(guān)鍵模塊運(yùn)行時(shí)(例如PCI Express枚舉/配置系統(tǒng)過程正在進(jìn)行)，剩下的FPGA配置得以加載。兩級(jí)比特流方法能夠使用便宜的閃存器件存儲(chǔ)比特流。

　　參考資料

　　[1]PCI Express底層規(guī)范(PCI Express Base Specification)，版本1.1，PCI-SIG，2005年3月

　　[2]M. Huebner, J. Meyer, O. Sander, L.Braun, J. Becker, J. Noguera和R.Stewart, “基于部分及動(dòng)態(tài)重配置的快速順序FPGA啟動(dòng)”( PCI Express Base Specification)，IEEE計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)VLSI年度研討會(huì)(ISVLSI)，2010年7月

　　[3]層次設(shè)計(jì)方法指南，UG748, v12.1, Xilinx，2010年5月

　　[4]B. Sellers, J. Heiner, M. Wirthlin和J. Kalb, “通過幀摘除和部分重配置壓縮比特流”( Bitstream compression through frame removal and partial reconfigura- tion)，現(xiàn)場可編程邏輯(和應(yīng)用國際大會(huì)FPL)，2009年9月

　　[5]J. Meyer, J. Noguera, M. Huebner, L. Braun, O. Sander, R. Mateos Gil, R. Stewart, J. Becker, “利用動(dòng)態(tài)部分重配置快速啟動(dòng)Spartan-6 FPGA”( Fast Startup for Spartan-6 FPGAs using dynamic partial reconfiguration)，歐洲設(shè)計(jì)、自動(dòng)化與測試研討會(huì)(DATE ‘11)，2011年

　　[6]“通過部分重配置快速配置PCI Express技術(shù)”( Fast Configuration of PCI Express Technology through Partial Reconfiguration)，XAPP883, v1.0, Xilinx, 2010年11月，http://www.xilinx.com/ support/documentation/application_notes/xapp883_Fast_Config_PCIe.pdf.