FPGA动态部分可重构技术概述

可重构计算是一种新的计算结构,它将通用处理器和专用集成电路的优点结合起来,具有灵活、高效的特点。FPGA的动态部分可重构是指在系统运行中对FPGA的部分逻辑资源实现动态的功能变换,从而提高数字系统集成度、增强灵活性、提升容错能力,同时降低成本和功耗。本文主要介绍FPGA动态部分可重构的原理以及实现动态部分可重构的方法,并着重分析4种常用的实现方法;介绍FPGA动态部分可重构技术目前在国内外的最新发展和应用;对FPGA动态部分可重构的未来研究发展方向做简单介绍。      

基于FPGA的可重构计算技术研究

本文介绍了可重构计算技术的提出和历程,结合器件发展、重构方式和结构模式分析了基于FPGA的可重构计算技术原理,从设计、配置角度探讨了实现技术,并阐述了在多个领域的应用。根据存在的问题,提出了可重构计算技术的发展研究方向。     

FPGA动态可重构理论及其研究进展

近年来,随着微电子技术和计算机技术的发展,尤其是大规模现场可编程门阵列FPGA的出现,实时电路重构技术逐渐成为国际学术界的研究热点;基于FPGA的重构系统具有自适应、自主修复特性,在空间应用中具有非常重要的作用;文章介绍了基于FP-GA动态可重构技术的原理、分类,重点讨论了动态可重构的实现方法及两种技术,并给出了系统重构设计的流程,同时,介绍了基于FPGA动态可重构技术已取得的成功应用,最后展望了FPGA动态可重构技术的发展前景,并指出了有待解决的问题.     

基于BIST的动态可重构FPGA的时延故障测试方法

FPGA市场已经进入极速发展时代,不同的销售商已向市场投入更多更快的FPGA器件。随着FPGA器件的迅速发展,FP-GA的密度和复杂程度也越来越高,使大量的故障难以使用传统方法进行测试,因此,对FPGA器件的故障测试和故障诊断方法进行更全面的研究具有重要意义。为此重点研究了动态重构FPGA及其基本结构、特点;在此基础上探讨了基于BIST技术的FPGA时延故障测试方法,并成功应用于Lattice ORCA 2C系列FPGA中。实验证明,该BIST方法是可行且有效的,并且不需要昂贵的ATE设备。     

基于动态可重构FPGA的自演化硬件概述

演化硬件研究如何利用遗传算法进行硬件自动设计,或者设计随外界环境变化而自适应地改变自身结构的硬件,在电子设计自动化、自主移动机器人控制器、无线传感器网络节点等领域都有潜在的应用价值. 自演化硬件是在硬件内部完成遗传操作和适应度计算,利用支持动态部分可重构的FPGA芯片上的微处理器核实现遗传算法,模拟生物群体演化过程搜索可能的电路设计并配置片上的可重构逻辑,找到最优或较优的设计结果,从而实现自适应硬件. 当电路发生故障时,自演化硬件自动搜索新的配置,利用片上冗余资源取代故障区域,从而实现自修复硬件. 介绍了基于动态部分可重构FPGA的自演化硬件的基本思想、体系结构以及研究现状,总结并提出了亟待解决的关键技术,指出高效的电路染色体编码表示与可重构逻辑配置位串之间的映射方式是当前研究的重点之一.     

一种动态可重构IP系统设计研究

针对通用逻辑开发和可继承性设计提出一种动态可重构IP系统的设计方案,它主要依靠下载bits流文件改变FPGA的配置存储器来实现重构,其配置时间只与预设的IP模块大小有关,与IP的结构无关而且可以利用相关的辅助设计工具.本文介绍了该系统设计实现的流程及关键技术,并以具体实验给以验证.     

基于FPGA 的局部动态可重构技术研究

可重构技术作为嵌入式系统中软硬件结合的设计方法,在可靠性、系统高集成度方面有很大优势。现场可编辑门 阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)不仅可以满足这些客观需求,还加强了系统的自适应性,降低了开发成本。 文章介绍了动态局部重构的实现方法,并在早期获取部分可重构(Early Access Partial Reconfiguration,EAPR)方法的基础 上加以改进。之后使用 Xilinx 生产的 Virtex-ML403 开发板实现整个设计,验证该方法的有效性,保证系统的稳定,在实 际应用的实现中有利于对资源有效的管理和合理的利用。     

基于动态可重构技术的装备测试系统研究

当前国内自动测试系统存在实时性差、测试资源冗余、成本高等问题,针对以上问题,提出了基于FPGA部分动态重构技术的自动测试系统,该系统基于FPGA动态可重构技术并结合嵌入式操作系统实现测试资源的动态管理,并开发了用于测试过程的硬件自动测试任务编程模型,提出了一种用于重构任务加载的ICAP控制器;该系统实现测试过程的并发执行,从而增强自动测试系统测试的实时性,进而提高测试的准确性与覆盖性。在验证试验中,将动态重构测试系统应用于自动测试实例中,试验结果表明硬件重构测试任务加载正常,各测试资源功能执行正确     

基于FPGA可重构多功能仪器方案设计

针对传统ATS测试中由开关速度慢导致的易造成短路从而损坏测试仪器或被测单元(UUT)等缺点,提出用可重构的多功能测试仪器来代替专用仪器,达到降低测试成本、提高测试效率的目的;文中设计了基于FPGA的信号发生器、数字万用表和频率计等多种功能仪器,并可以重新配置,并重点介绍数字万用表的设计;利用SOPC Builder软件在FPGA中嵌入了NiosⅡ处理器系统实现多仪器功能的集成,利用USB总线完成上位机与下位机的通讯,使人机交互友好;基于可重构理论设计的这种多功能仪器集成度高,有效地解决了仪器功能单一呆板的问题,最终使系统从专用走向通用。     

基于FPGA动态可重构的高速、高质量的图像放大

为了能高速、高质量地进行图像放大，提出了一种以硬件方法完成高阶图像插值运算来实现图像放大的新方法。该方法为了保证图像放大后的质量，采用了3次B-样条来对图像放大后的像素点灰度值进行插值运算，并提出一种基于IIR和FIR数字滤波器的3次B-样条插值法的高速实现方案。另外，为了能在系统中实现不同倍数图像放大，系统中还引入了基于FPGA的动态可重构技术，即通过实时地改变FPGA的配置，以实现不同的算法。同时还针对256灰度级图像设计出一种基于FPGA的高速、高质量的硬件图像放大及显示系统。     

基于并行结构的DOA聚类算法及FPGA实现

脉冲到达角（DOA）是脉冲信号分选中可利用的重要参数。目前,利用DOA进行的脉冲分选都是基于传统的串行聚类算法,实时性能差。本文针对阈值分割的聚类方式,设计了一种基于并行流水结构的实时聚类算法,使单个DOA的聚类可在单周期内完成,并通过对聚类数目分裂过多的情况进行控制,保证了算法的稳定性和有效性。文章还介绍了算法在FPGA上的实现方法,以及应用在XilinxV2P芯片上的实时性能,并对其聚类性能进行了比较分析。     

基于FPGA动态部分重构的D/TMR系统设计

在空间环境中,系统的可靠性是保障系统正常运行的关键。针对此问题,提出了一种基于FPGA动态部分重构的D/TMR系统设计,正常工作时采用DMR系统,具有较低的面积开销和功耗;当系统出现故障时,利用FPGA部分动态重构技术切换为TMR系统,不需要额外的故障检测与定位电路,就可以保持系统功能的连续性与可靠性。经实验验证,该设计方案具有可行性。     

基于FPGA的多模块动态可重配置系统

提出了一种基于现场可编程门阵列FPGA的多模块动态可重配置系统平台,并在该平台上实现了一个多模块动态自重配置发射机系统.与传统的动态可重配置系统相比,多模块动态可重配置系统的各动态模块能够单独地进行重配置,重配置控制比较灵活,部分重配置比特流较小,所需的部分重配置比特流数量较少.     

A reconfigurable HexCell-based systolic array architecture for evolvable hardware on FPGA

Evolvable hardware is a system that modifies its architecture and behavior to adapt with changes of the environment. It is formed by reconfigurable processing elements driven by an evolutionary algorithm. In this paper, we study a reconfigurable HexCell-based systolic array architecture for evolvable systems on FPGA. HexCell is a processing element with a tile-able hexagonal-shaped cell for reconfigurable systolic arrays on FPGAs. The cell has three input ports feed into an internal functional-unit connected to three output ports. The functional-unit is configured using dynamic partial reconfiguration (DPR), and the output ports, in contrast, are configured using virtual reconfiguration circuit (VRC). Our proposed architecture combines the merits of both DPR and VRC to achieve fast reconfiguration and accelerated evolution. A HexCell-based 4 × 4 array was implemented on FPGA and utilized 32.5% look-up tables, 31.3% registers, and 1.4% block RAMs of Artix-7 (XC7Z020) while same-size conventional array consumed 8.7%, 5.1%, and 20.7% of the same FPGA, respectively. As a case study, we used an adaptive image filter as a test application. Results showed that the fitness of the best filters generated by our proposed architecture were generally fitter than those generated by the conventional state-of-the-art systolic array on the selected application. Also, performing 900,000 evaluations on HexCell array was 2.6 × faster than the conventional one.     

一种改进的粒子滤波算法及其FPGA硬件实现

提出了一种改进的粒子滤波目标跟踪算法,提出了限定区域的伪随机算法和根据权值分布的自适应重采样算法来提升目标跟踪的精度和并行特性。同时在算法的FPGA硬件结构实现上,对程序结构进行调整,充分利用流水线并行处理数值计算,运用硬件并行特性加快粒子的权值排序过程。实验结果表明,提出的算法在实验室场景与遮挡情况下都具有良好的跟踪准确性和实时性。     

可重构Grostl设计研究及其FPGA实现

Grostl是继承MD迭代结构和沿用AES压缩函数的SHA．3候选算法。目前的研究只针对Grostl算法的一种或两种参数版本进行实现,并没有针对Grcstl四种参数版本的设计,缺少灵活性。在分析Gr#stl算法的基础上,采用可重构的设计思想,在FPGA上实现了Grcstl四种参数版本。实验结果表明,在XilinxVirtex一5FPGA平台上,四参数可重构方案的面积为4279slices,时钟频率为223．32MHz,与已有的实现方法相比,具有面积小、时钟频率高及灵活性等优点。     

基于FPGA的DES加密算法的实现

介绍了DES算法的基本原理与加密过程,给出了基于FPGA的DES算法的硬件实现,并且用Quanus Ⅱ实现了模块仿真,验证了DES加密算法。     

基于FPGA的实时声源定位

提出了利用2个麦克风基于FPGA的声源定位的方法.具体通过基于相位变换改进的互相关方法成功在低信噪比(10 dB)的噪声环境下完成声源定位.利用同样的算法和硬件结构,可以在1片FPGA芯片上实现5组并行的时域处理的系统,而且每个麦克风的功耗只有77 mW～108 mW.     

基于FPGA的感应加热控制系统

设计了基于FPGA的感应加热控制系统,其主要功能是实现负载谐振频率的跟踪、逆变工作状态的控制和逆变器的启动.相对模拟逆变电路而言,其优势在于:调试比较方便、内部参数更改容易、可在线观察数据.实验结果表明,该系统适用负载范围宽、可调节性强.     

基于FPGA椭圆曲线密码体制的研究

对基于FPGA椭圆曲线密码体制的实现进行全面研究,在Xilinx的FPGA上实现了二元有限域和椭圆曲线点运算的所有算法。将模乘算法、模逆算法、曲线点加算法、曲线点减算法、点乘算法、EC-Elgamal加密／解密方案、总线命令控制等在FPGA上完成仿真、综合和板级验证,并设计出具有PCI局部总线传输功能的加密／解密适配卡。研究中提出了新的基于正规基和正则基的比特串行模乘算法实现方案。