隨著現場可編程門陣列的廣泛應用，對其進行靈活的重新配置的研究也越來越多。目前絕大多數FPGA都是基于查找表LUT（Look UP Table）的技術，采用SRAM工藝生產。這種工藝的FPGA有兩層結構，上層為配置存儲器，下層是硬件邏輯層。通過上層配置信息控制硬件層門電路的通斷，改變芯片內基本邏輯塊的布線，從而形成特定的功能。這種架構為動態(tài)重構技術實現提供了可能。一個FPGA大型數字系統(tǒng)總是由很多功能模塊組合而成，這樣各個系統(tǒng)模塊的激活狀態(tài)就可能在時間軸上產生分離，時間上分離的模塊就可以共用一個硬件邏輯區(qū)，根據需要對這個邏輯區(qū)動態(tài)地改變配置，實現不同的功能，這就是局部動態(tài)重構[1]。FPGA的動態(tài)重構使其應用更加靈活，減少了硬件的資源消耗，縮短了開發(fā)周期。但是對一些特殊場合，如深海數據采集或機器人野外勘探，開發(fā)者可以為某個系統(tǒng)模塊設計幾個功能，設備在自主運行過程中根據需要選擇相應的配置數據進行配置。如果遇到特殊環(huán)境，事先設計的功能有可能不適合工作要求，需要增加新的功能。在目前硬件進化技術還無法進行實際應用的情況下，本文設計了一種遠程動態(tài)重構的系統(tǒng)來解決上述問題。

1 遠程動態(tài)重構系統(tǒng)的結構
    遠程動態(tài)重構系統(tǒng)有PowerPC處理器和89C54微控制器兩個核心。VirtexII-Pro FPGA內部集成有2個PowerPC405嵌入式處理器[2]，本文系統(tǒng)使用其中一個，實現對動態(tài)重構進行控制和調配。FPGA內部用于對局部重構區(qū)域PRR進行重新配置的硬件模塊有3個，分別是嵌入式內核PowerPC、系統(tǒng)高級配置環(huán)境System ACE和內部配置訪問通道ICAP。System ACE是一種在系統(tǒng)編程的高級配置解決方案，它提供CF（Compact Flash）、MPU和Test JTAG等多個接口，本系統(tǒng)采用CF卡作為配置數據的來源，可以更方便地改變和存儲配置數據。ICAP的主要作用就是按照特定時序將配置數據重新配置到PRR中[3]。
    遠程數據傳輸通過外接控制器89C54完成，一方面控制器要通過UART接口接收GSM模塊TC35傳來的數據；另一方面要把接收到的配置數據寫入CF卡中，以供FPGA系統(tǒng)讀取。
    System ACE和89C54控制器共用CF卡的控制接口。為避免互相影響，本系使用多路復用器將CF卡端口做分時復用處理，即配置過程中與System ACE連接，而數據傳輸存儲過程中與89C54進行連接。遠程動態(tài)重構系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 遠程動態(tài)重構的本地準備
    以機械手臂的控制為例，采用PID控制、模糊控制和備用三種控制方案，每個控制算法經過驗證綜合生成獨立的bit流模塊。這三個模塊共用一個可重構的區(qū)域PRregion，根據具體情況，選用最適合的算法模塊，動態(tài)地配置重構區(qū)域來控制機械手臂，其他靜態(tài)邏輯區(qū)域則仍然正常運行。這樣不僅提高了系統(tǒng)的靈活性，而且節(jié)省了配置時間、減少了不必要的消耗。FPGA的設計流程一般包括設計、仿真、綜合、實現過程，本文根據系統(tǒng)自身結構提出如圖2所示的設計流程。

    FPGA重構系統(tǒng)綜合使用EDK（Embedded Development Kit）、ISE和PlanAhead多種工具平臺，采用分層化設計，以簡化設計過程。其過程如下：
    (1)利用嵌入式開發(fā)工具EDK設計一個基于PowerPC405的嵌入式控制系統(tǒng)[4]，添加SystemACE_CompactFlash外設以支持從CF卡配置FPGA；添加IP核opb_hwicap以支持嵌入式內核通過ICAP讀取配置數據動態(tài)地配置FPGA。
    (2)EDK包含有軟件開發(fā)工具SDK，因此利用SDK對PowerPC405進行軟件編程和調試，最終生成應用程序二進制executable.elf文件；利用EDK外設創(chuàng)建向導，創(chuàng)建多個控制算法IP模塊，在各自的VHDL文件中編寫相應的算法；使用ISE工具對多個算法模塊進行綜合、創(chuàng)建頂層模塊、實例化嵌入式系統(tǒng)和算法模塊。綜合產生top網表文件。
    (3)創(chuàng)建PlanAhead工程，使用以上產生的網表文件和約束文件進行布局布線。其中最重要的是將算法模塊設置為可重構模塊，對其進行嚴格的區(qū)域約束[5]，其約束代碼如下：
    AREA_GROUP "AL_PRregion" RANGE = SLICE_(minX)(minY):SLICE_(maxX)(maxY)
    AREA_GROUP "AL_PRregion" RANGE = RAMB16_(minX)(minY):RAMB16(maxX)(maxY)
    在PlanAhead工具中可以通過可視化方法進行區(qū)域約束，既直觀又簡單。可重構模塊在運行過程中如果需要實現不同的控制算法，則需要在重構區(qū)中添加所有算法模塊綜合生成的網表文件、使用PR Assemble命令生成多個不同的算法bit流文件。除了動態(tài)bit流文件外，PlanAhead還會產生一個靜態(tài)完整的bit流文件static_full.bit。可執(zhí)行以下兩個命令生成ace配置文件：
    (1)data2mem -bm implementation/system_stub_bd -bt implementation/static_full.bit -bd TestApp/executable.elf tag ppc310_0 –o b implementation/static.bit。
    (2)xmd -tcl genace.tcl -jprog -target ppc_hw -hw implementation/static.bit -elf TestApp/executable.elf -board ml310 -ace system.ace。
3 遠程動態(tài)重構的實現
    經過動態(tài)重構本地準備之后，得到如表1所示的CF卡配置文件列表。設置保留模塊，是為了給新的控制算法保留一個接口(以一個空文件存儲在CF卡中)。

    傳統(tǒng)的本地重構設計完成后，針對重構區(qū)域會得到幾個不同的配置文件，如針對機械臂控制算法重構區(qū)得到兩個初期設計的控制算法配置文件。在實際運行過程中，有些環(huán)境只需PID控制就可滿足要求，而有些環(huán)境采用模糊控制更合適。如果采用這兩種控制方法都不能滿足工作要求時，必然要對初期設計進行升級，對復雜危險的工作現場進行遠程動態(tài)重構。
    本文提出的設計方法是：GSM模塊作為遠程數據傳輸工具，與89C54單片機通過UART端口連接，單片機接收到一個扇區(qū)512 B的數據寫入CF卡reserved.bit文件中。GSM模塊采用西門子公司的TC35模塊，它支持AT指令，由89C54發(fā)送AT指令ASCI碼對TC35進行控制[5]。本設計主要涉及到的AT指令如表2所示，TC35以串行模式與89C54進行通信。

    CF卡必須格式化成FAT16格式才能用于FPGA的配置文件存儲。FAT格式磁盤必須一次性對一個扇區(qū)進行操作，所以單片機必須從TC35接收滿512 B的數據才可以對CF卡進行寫操作。FPGA配置完成之后CF卡處于閑置狀態(tài)，通過多路復用器將CF卡與外接控制器連接以完成對.bit文件的讀寫操作。單片機對CF卡進行操作本質就是對FAT文件系統(tǒng)的讀寫。
    FAT格式磁盤的邏輯分區(qū)依次為：引導扇區(qū)、文件分配表（FAT1和FAT2）、文件目錄區(qū)（FDT）和數據區(qū)[6]。引導扇區(qū)用于存儲引導程序和磁盤信息，外界訪問CF卡都要經過引導區(qū)的識別驗證；FAT是給每個文件分配磁盤物理空間的表格，數據區(qū)的劃分單元為簇，一個簇包括64個扇區(qū)，FAT表正是為每個文件構造一個簇鏈表；文件目錄區(qū)是尋找文件的入口，其內容是每個文件的目錄信息；在文件目錄之后的扇區(qū)都是以簇為單位進行數據存儲，這就是數據區(qū)。
    CF卡與89C54接口配置關系如圖3所示，單片機使用TrueIDE模式對CF卡進行讀寫，采用邏輯塊LAB（Logical Block Addressing）方式進行尋址。

    CF卡寫一個扇區(qū)（讀扇區(qū)基本相似，限于篇幅不列出）的代碼如下：
Write_Sectors: mov R2,#1 ;一次寫一個扇區(qū)
    mov        R3,#0Ah;假設 LBA為000000Ah
    mov        R4,#0
    mov        R5,#0
    mov        R6, #0
    mov        R7, #WriteSctr
    acall        Function;將參數寫入CF控制寄存器
    acall        WaitDRQ  ;等待數據請求
    acall Write512
    ret
Write512：mov R0,#high(data);取數據高地址
        mov R1,#low(data); 取數據低地址
        mov R7,#2 ;512 B= 2 * 256
        mov R6,#0 ;256 B
write:    mov dph,R0;獲取地址
        mov dpl, R1
        clr   a
        movc  a, @a+dptr ;獲取一個數據
        inc  dptr  ;指向下一個數據
        mov  R0, dph ;保存地址
        mov  R1, dpl
        mov  DPTR,#Data_Reg;到CF數據寄存器
        movx  @dptr, a ;向CF卡寫一個數據
        djnz  R6, write
        djnz  R7, write ;將512 B的數據全部寫入CF卡
        ret
    遠程動態(tài)重構的流程如圖4所示。現場TC35接收到新短信數據時會有觸發(fā)信號發(fā)送給89C54單片機，單片機開始讀取TC35Flash數據。在對CF卡進行寫操作之前，首先要讀取reserved.bit文件的首簇號；讀取CF卡文件目錄表FDT，得到reserved.bit的信息，其中偏移地址為1Ah~1Bh，所存儲的2 B為文件首簇號，而接下來4 B代表文件大小。由文件首簇號在FAT表中找到文件入口，然后跟蹤簇鏈至簇尾（0XFFFF），按照LAB尋址方式將數據按扇區(qū)寫入CF卡數據區(qū)，邏輯扇區(qū)號LBA可由簇號按公式“LBA=(簇號－2)×64＋513”計算得到。如果文件數據量比舊文件多，則在FAT中增加鏈表，直至把數據存儲完畢；如果文件較小，則將原文件剩余FAT簇鏈都寫入0x0000，以釋放空間。對CF卡的寫操作則不對其他區(qū)域進行更改。

    CF卡數據更新完畢后，接通CF卡與SystemACE控制器之間的多路復用器，對控制算法重構區(qū)進行局部動態(tài)配置，配置過程中不對其他邏輯區(qū)域的運行造成影響。
    遠程動態(tài)重構結合了FPGA局部動態(tài)重構和GSM無線數據傳輸的優(yōu)勢，對用在野外勘測的機器人和數據采集處理系統(tǒng)有很高的應用價值，允許設計人員根據系統(tǒng)運作情況實時地改變機器人的控制算法或數據處理算法，使其更加適合工作環(huán)境，既方便了設計人員對遠程設備的配置升級，又節(jié)省了大量人力物力。今后該方案將計算機與FPGA硬件平臺連接，可以為硬件的外部進化遠程下載染色體到硬件平臺提供有效途徑。
參考文獻
[1] 潘興武，呂志強.基于可穿戴計算機的動態(tài)重構硬件模塊設計[J].電子科技大學學報，2010,39：50-53.
[2] Xilinx Inc.Virtex-II Pro and Virtex-II Pro X FPGA user guide[EB/OL].http://www.xilinx.com/support，2007-05-11.
[3] Xilinx Inc.Early access partial reconfiguration user guide [EB/OL].http://www.xilinx.com/，2010-05-10.
[4] 楊浩強.基于EDK的FPGA嵌入式系統(tǒng)開發(fā)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2008．
[5] 孫丘偉，余臻.基于GSM的短信報警收發(fā)平臺設計[J].福州大學學報(自然科學版)，2008，36：44-48.
[6] 翟亞東，史忠科.基于CF卡的飛行試驗數據記錄器的設
     計[J]．計算機測量與控制，2006,14(10)：1384-1386.