基于TBUF總線(xiàn)宏的FPGA可視化設(shè)計(jì)

　　引 言

　　FPGA動(dòng)態(tài)局部可重構(gòu)技術(shù)是指允許可重構(gòu)的器件或系統(tǒng)的一部分進(jìn)行重新配置，配置過(guò)程中其余部分的工作不受影響。動(dòng)態(tài)局部可重構(gòu)縮短了重構(gòu)的時(shí)間，減少了系統(tǒng)重構(gòu)的開(kāi)銷(xiāo)，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。局部動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)中通常將系統(tǒng)劃分為固定模塊和可重構(gòu)模塊?？芍貥?gòu)模塊與其他模塊之間的通信（包括可重構(gòu)模塊和固定模塊之間、可重構(gòu)模塊和可重構(gòu)模塊之間）都是由總線(xiàn)宏實(shí)現(xiàn)的。

　　動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)在FPGA中的實(shí)現(xiàn)是Xilinx公司首先提出的，并且提供了相應(yīng)的開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)流程。他們從Virtex系列器件開(kāi)始支持動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)，同時(shí)他們提供了現(xiàn)成的總線(xiàn)宏文件給動(dòng)態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者使用，但是它們提供的總線(xiàn)宏設(shè)計(jì)與軟件版本的兼容性很差。Xilinx提供的總線(xiàn)宏可能因?yàn)檐浖姹镜膯?wèn)題會(huì)無(wú)法正常使用，所以用戶(hù)需要借助正在使用的版本軟件設(shè)計(jì)總線(xiàn)宏，以實(shí)現(xiàn)FPGA動(dòng)態(tài)局部可重構(gòu)設(shè)計(jì)。

　　在研究總線(xiàn)宏的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用FPGA Editor可視化的方法設(shè)計(jì)基于TBUF的總線(xiàn)宏，并通過(guò)FP-GA動(dòng)態(tài)可重構(gòu)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性。

　　1 基于TBUF的總線(xiàn)宏結(jié)構(gòu)

　　在不同系列的Xilinx FPGA器件中，使用不同的總線(xiàn)宏來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)局部可重構(gòu)技術(shù)。在Virtex，Virtex-E，Virtex-ⅡPro X，Spartan-Ⅱ，Spartan-ⅡE和Spartan-3系列器件中所使用的總線(xiàn)宏都是基于TBUF的，可重構(gòu)模塊的位置固定不變；在Virtex4，Virtex5更高性能的器件中，所使用的總線(xiàn)宏是基于Slice的，可重構(gòu)模塊的位置是可變的；而Virtex-Ⅱ，Virtex-ⅡPro所使用的總線(xiàn)宏既可以基于TBUF，也可以基于Slice。

　　目前，使用最多的總線(xiàn)宏，其物理實(shí)現(xiàn)是使用6個(gè)三態(tài)緩沖器（TBUF），實(shí)現(xiàn)4位的雙向通信。每個(gè)TBUF占用1位，每位使用1根TBUF長(zhǎng)線(xiàn)，從FPGA的最左側(cè)到最右側(cè)，如圖1所示。TBUF的T端是三態(tài)使能端口；I端是數(shù)據(jù)輸入端口；O是數(shù)據(jù)輸出端口。相應(yīng)地，總線(xiàn)宏的T端（LT和RT）是方向控制端口，控制總線(xiàn)宏從左或從右輸出；I端（LI和RI）是數(shù)據(jù)輸入端口；O端（LO和RO）是數(shù)據(jù)輸出端口。

　　總線(xiàn)宏的信息通信是雙向的，既可以從左到右，也可以從右到左。但是對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，一旦信息通信方向確定以后就不能再改變?？偩€(xiàn)宏的位置精確地跨騎在模塊A和模塊B之間（A或B是可重構(gòu)模塊，或AB全是可重構(gòu)模塊），其中四柵三態(tài)緩沖器在模塊A內(nèi)，另外四柵在B內(nèi)。對(duì)于Virtex-Ⅱ等系列器件，因內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，故兩柵跨騎在模塊A內(nèi)，另外兩柵跨騎在模塊B內(nèi)。

　　2 基于TBUF的總線(xiàn)宏設(shè)計(jì)

　　這里在深入研究Xilinx公司所提供的總線(xiàn)宏的基礎(chǔ)上，結(jié)合宏的設(shè)計(jì)技術(shù)，完善了總線(xiàn)宏的設(shè)計(jì)。

　?。?）TBUF的內(nèi)部路由。圖2給出內(nèi)部路由后的TBUF電路結(jié)構(gòu)圖。TMUX的T端決定總線(xiàn)宏的控制端LT和RT高電平有效，而T_B端決定低電平有效。

　　無(wú)論控制信號(hào)是高電平有效，還是低電平有效，在使用總線(xiàn)宏進(jìn)行通信時(shí)，LT和RT的值必須是相反的，或者是同時(shí)無(wú)效的。例如，當(dāng)控制信號(hào)高有效時(shí)，即T端為1時(shí)，TBUF打開(kāi)。如果總線(xiàn)宏是從左向右傳遞數(shù)據(jù)，則必須將LT設(shè)為1，RT為0，反之亦然；如果總線(xiàn)宏不需要傳遞數(shù)據(jù)，那么兩個(gè)控制信號(hào)應(yīng)同時(shí)為0，此時(shí)總線(xiàn)宏輸出為高阻態(tài)。

　?。?）TBUF添加的方法。Virtex，Virtex-E，Spar-tan-Ⅱ，Spartan-ⅡE的內(nèi)部結(jié)構(gòu)類(lèi)似，與TBUF添加的方法是相同的。在相應(yīng)的位置選擇一個(gè)可編程邏輯塊（Configurable Logic Block，CLB）中的一個(gè)TBUF作為總線(xiàn)宏的一個(gè)TBUF（1個(gè)CLB包含2個(gè)TBUF），依次選擇同一行相連下一個(gè)CLB中的一個(gè)TBUF，直至選夠8個(gè)TBUF為止；對(duì)于Spartan-3，Virtex-Ⅱ，Virtex-ⅡPro和Virtex-ⅡPro X系列器件；每一個(gè)CLB中的2個(gè)TBUF都作為總線(xiàn)宏的TBUF被選用，在同一行中依次選擇相連的4個(gè)CLB中的8個(gè)TBUF作為總線(xiàn)宏的TBUF，如圖3所示。

　?。?）TBUF外部端口的命名規(guī)則。根據(jù)圖1的總線(xiàn)宏結(jié)構(gòu)，對(duì)各個(gè)TBUF的外部端口T，I和O進(jìn)行相應(yīng)的命名，命名時(shí)要符合所使用版本軟件的要求。例如，若對(duì)端口進(jìn)行如下命名：LI3>，LT3>等，而端口在進(jìn)行物理設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（Design Rule Check，DRC）時(shí)會(huì)出錯(cuò)，根據(jù)所提示的出錯(cuò)信息將命名改為：LI（3），LT（3）等，即能順利通過(guò)DRC，完成端口的命名。

　?。?）總線(xiàn)宏輸出端口的定義?？偩€(xiàn)宏輸出端口的定義只能通過(guò)手工路由（Manual Route）方法，把相應(yīng)TBUF的輸出端口通過(guò)端口連線(xiàn)和TBUF長(zhǎng)線(xiàn)連接起來(lái)。