多波形運行的局部動態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種多波形運行的局部動態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)，旨在提供一種能夠降低綜合化通信系統(tǒng)功耗、復雜度和體積的局部動態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)，本發(fā)明專利技術(shù)通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)：在FPGA中，設置通過FPGA內(nèi)部總線互聯(lián)的總線橋接模塊和總線譯碼模塊，波形組件加載控制處理器通過總線橋接模塊、總線譯碼模塊將需要加載的波形組件容器數(shù)據(jù)寫入掛接在FPGA內(nèi)部總線掛載接口上的局部重構(gòu)配置模塊；總線譯碼模塊通過掛載接口連接產(chǎn)生不同工作時鐘的時鐘管理單元CMT和包含有波形組件的各個波形組件容器的網(wǎng)表文件，運用Xilinx公司提供的綜合軟件將所有網(wǎng)表文件進行綜合生成碼流文件，并將碼流文件轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)據(jù)而獲得用于動態(tài)加載的波形組件數(shù)據(jù)。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
多波形運行的局部動態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)
本專利技術(shù)屬于數(shù)字信號處理領(lǐng)域，是關(guān)于一種用于綜合化通信系統(tǒng)領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)多種通信波形之間動態(tài)切換運行的結(jié)構(gòu)和方法，即通信多波形運行結(jié)構(gòu)和方法，特別涉及一種基于FPGA局部重構(gòu)來增強系統(tǒng)波形能力的多種通信波形動態(tài)切換運行結(jié)構(gòu)。
技術(shù)介紹
早期的通信系統(tǒng)，無論是機載通信終端、艦載通信終端還是攜帶移動電臺，大多表現(xiàn)為一個獨立端機，且僅能夠?qū)崿F(xiàn)一般的話音通信或簡單數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐我粯I(yè)務功能，滿足最基本通信需求的獨立端機。由于通信系統(tǒng)集成發(fā)展的要求，現(xiàn)在的通信系統(tǒng)需要嵌入到整機系統(tǒng)中，并且需要整合更多的業(yè)務功能，如圖像傳輸?shù)龋瑥亩蔀榫C合化通信系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展，單一的獨立端機通信信號處理方法已經(jīng)不能滿足復雜環(huán)境下的通信需求。如用于航海的船舶自動識別系統(tǒng)AIS(AutomaticIdentificationSystem)、用于著陸引導的儀表著落系統(tǒng)ILS(InstrumentLandingSystem)、用于識別詢問應答/二次監(jiān)視IFF(IdentificationFriendorFoe)/SSR(SecondarySurveillance)、用于空中導航的空中導航系統(tǒng)TACAN(TacticalAirNavigation)以及各種頻段、環(huán)境和功能要求下所使用的不同通信方法，這通信系統(tǒng)功能和方法都需要收發(fā)信機進行聯(lián)絡或數(shù)據(jù)交互，因此均需要進行遠距離通信，且采用了不同的通信信號處理方法，因此這些系統(tǒng)功能或方法中所具有的通信信號處理部分均可綜合到綜合化通信系統(tǒng)中，以擴展綜合化通信系統(tǒng)的能力，滿足各種需求，從而逐漸成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)設計和發(fā)展的一種思路。由于不同的通信處理方法所得到的射頻波形不同，因此在通信領(lǐng)域，通信波形也代指了特定的通信處理方法。隨著綜合化通信系統(tǒng)所集成的通信波形的增多，導致綜合化通信系統(tǒng)逐漸變得越來越復雜，越來越龐大，這使得現(xiàn)代的通信設備難以做到小型化、低功耗。由于不同通信波形的應用場景和時機不同，因此現(xiàn)場可編程門陣列FPGA局部重構(gòu)為多波形綜合提供了一個很好的解決方案。隨著FPGA芯片技術(shù)的逐步成熟和發(fā)展，F(xiàn)PGA在各個領(lǐng)域中的應用逐漸擴大，芯片內(nèi)部的資源規(guī)模也成倍增加。但是，隨著FPGA容量的擴大，F(xiàn)PGA的設計和實現(xiàn)也漸漸出現(xiàn)了下面的瓶頸問題：1)FPGA芯片內(nèi)部布線隨著設計復雜度的增加，布線的難度成平方增加，布線的時間也成倍增加。2)對于大容量的FPGA，為了保證設計時約定的性能，為了滿足時序約束條件，最終實現(xiàn)版本的實際資源利用率反而下降。3)大容量的FPGA一旦設計完成后，對其進行部分模塊的調(diào)整和優(yōu)化經(jīng)常需要很長時間。在此上述這些原因的基礎上，F(xiàn)PGA的重配置技術(shù)應需而生。FPGA重配置技術(shù)分為完全重配置技術(shù)和部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)兩種。其中FPGA完全重配置技術(shù)就是通過FPGA外部的配置處理單元，通過對FPGA配置管腳的編程，來實現(xiàn)整個FPGA內(nèi)容的切換，這種方式在目前已經(jīng)得到了較為廣泛的應用。而FPGA部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)是通過FPGA內(nèi)部或外部的配置處理單元，對FPGA內(nèi)部部分資源的時分復用，來實現(xiàn)FPGA內(nèi)部部分模塊的切換。作為一種新型的數(shù)字電路設計概念，可重構(gòu)計算兼容了硬件計算速度快和軟件設計的靈活性等特點。局部動態(tài)可重構(gòu)指的是當可重構(gòu)系統(tǒng)在運行時，其中某個功能模塊按照預定義的方式進行重配置，且不影響系統(tǒng)整體的正常運行。局部動態(tài)可重構(gòu)通過實現(xiàn)模塊的配置與運行的并行處理，一定程度上彌補了可重構(gòu)計算因配置而在時間上的開銷。隨著FPGA制造工藝的高速發(fā)展，局部動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)逐漸成為當代嵌入式計算的研究和發(fā)展的重要方向。局部動態(tài)可重構(gòu)是指在系統(tǒng)運行時允許可重構(gòu)器件的一部分進行重新加載配置數(shù)據(jù)，重配置過程中非改動部分不受影響繼續(xù)工作。局部動態(tài)可重構(gòu)擁有時域上的連續(xù)性、配置數(shù)據(jù)的規(guī)模大大減小等特點，一定程度上可以節(jié)省配置時間，縮減系統(tǒng)設計尺寸，提高效益。局部動態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)既具有硬件的高速處理能力又具有軟件的靈活性，因此在可重構(gòu)計算，高速數(shù)字濾波器，基因組分析，軟件無線電，小波變換，圖像處理等方面具有較高的應用價值。由于FPGA具有可編程性，可重構(gòu)計算在應用時非常靈活，開發(fā)人員可以根據(jù)需要設計可重構(gòu)計算邏輯單元，從而使得可重構(gòu)計算在應用中達到真正的并行。進行系統(tǒng)重構(gòu)時，局部動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)只對局部資源進行重新配置，而且對現(xiàn)有的執(zhí)行任務來說重構(gòu)是不可見的，所以在理論上可以無限的減少系統(tǒng)重配置時間，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。當系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，局部動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)可以將硬件分區(qū)進行隔離，通過對剩下的邏輯資源進行重配置，使用部分資源完成整體任務，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。FPGA當屬目前綜合性能較高的器件之一，彌補了集成電路器件靈活性的欠缺和可編程器件門電路較少等缺點。對這兩種配置技術(shù)進行比較，可以看到FPGA部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的優(yōu)勢在于以下這些方面：1)提高了配置速度。完全重配置需要配置整個FPGA的比特流文件，而部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)只需要配置相應模塊的邏輯內(nèi)容，文什大小相差懸殊，在相同的配置時鐘頻率下，部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的配置速度是完全配置的幾分之一或者幾十分之一。2)省略了完全配置后的復位、下達參數(shù)的流程。完全重配置在配置完成后，整個FPGA處于初始狀態(tài)，需要重新對接口進行初始化，并配置運行參數(shù)。而部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)不用進行全局復位，下達參數(shù)也只需要針對重構(gòu)的模塊。3)保存了FPGA運行的中間結(jié)果和數(shù)據(jù)。完全重配置很難保存FPGA運行的中間結(jié)果，如果外接DDRSDRAM等存儲單元，也會因為接口的重新復位而導致數(shù)據(jù)混亂，而部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)完全不用擔心這些問題。部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)具有上述相對與完全重配置技術(shù)的優(yōu)勢外，也和完全重配置技術(shù)一樣，具有低功耗和靈動性高的優(yōu)點，并且具備遠程加載功能，可以通過有線網(wǎng)絡或者無線網(wǎng)絡來實現(xiàn)超距環(huán)境下的FPGA功能變更。部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)和完全重配置技術(shù)相比，對FPGA設計人員的開發(fā)能力和規(guī)劃能力要求更高。可重構(gòu)技術(shù)是一種通過改變硬件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)不同系統(tǒng)功能的技術(shù)，是借助可重構(gòu)硬件，通過改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來完成各種不同的功能。可重構(gòu)技術(shù)的本質(zhì)是FPGA芯片的全部或部分邏輯資源在一定控制邏輯的驅(qū)動下，通過時分復用的方式，在同一邏輯資源上實現(xiàn)不同的功能。為了實現(xiàn)動態(tài)重構(gòu)：目標任務要被劃分為多個配置文件，每次在可重構(gòu)邏輯器件上加載的配置文件與目標任務中的一個子任務相對應，因此在整個任務的執(zhí)行過程中需要對可重構(gòu)邏輯器件進行多次重構(gòu)。根據(jù)重構(gòu)過程中占用邏輯資源的不同，又將動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)分為動態(tài)整體重構(gòu)和動態(tài)局部重構(gòu)。動態(tài)整體重構(gòu)，是在每次重構(gòu)時都需要重新配置可重構(gòu)邏輯器件上的全部計算資源。動態(tài)整體重構(gòu)首先需要將目標任務在時間維度上劃分為多個階段，然后把每個階段都設計實現(xiàn)為一個需要占用全部可重構(gòu)邏輯資源的全器件配置文件；在執(zhí)行過程中通過將每個階段對應的全器件配置文件依照時間順序先后配置到可重構(gòu)邏輯器件上，最終完成目標任務，屬于傳統(tǒng)意義的動態(tài)重構(gòu)。為了保證目標任務在執(zhí)行上具有連續(xù)性，動態(tài)重構(gòu)技術(shù)需要盡量縮短重構(gòu)過程所耗費的時間，而靜態(tài)重構(gòu)技術(shù)則沒有這方面的需求。相比靜態(tài)重構(gòu)技術(shù)，動態(tài)重構(gòu)技術(shù)是一種更加靈活高效的可重構(gòu)技術(shù)是當前可重構(gòu)技術(shù)的研究重點。
技術(shù)實現(xiàn)思路
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【技術(shù)保護點】
一種多波形運行的局部動態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)，包括：波形組件加載控制處理器、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，其特征在于：在FPGA中，設有通過FPGA內(nèi)部總線互聯(lián)的總線橋接模塊和總線譯碼模塊，總線譯碼模塊生成FPGA內(nèi)部總線掛載接口，F(xiàn)PGA內(nèi)部總線掛載接口掛接動態(tài)時鐘配置模塊、局部重構(gòu)配置模塊、其它自定義模塊和N個波形組件容器；波形組件加載控制處理器通過外部擴展總線連接FPGA對外總線接口，通過總線橋接模塊、總線譯碼模塊將波形組件數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA內(nèi)部總線掛載接口，將需要加載的波形組件容器數(shù)據(jù)寫入掛接在FPGA內(nèi)部總線掛載接口上的局部重構(gòu)配置模塊，對掛接在FPGA內(nèi)部總線掛載接口上的波形組件容器進行動態(tài)加載、耦合操作和復位操作，構(gòu)成多波形運行的通信數(shù)據(jù)交互通路；總線譯碼模塊通過掛載接口連接產(chǎn)生不同工作時鐘的時鐘管理單元CMT和包含有波形組件的各個波形組件容器的網(wǎng)表文件，運用Xilinx公司提供的綜合軟件將所有網(wǎng)表文件進行綜合生成碼流文件，并將碼流文件轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)據(jù)而獲得用于動態(tài)加載的波形組件數(shù)據(jù)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種多波形運行的局部動態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)，包括：波形組件加載控制處理器、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，其特征在于：在FPGA中，設有通過FPGA內(nèi)部總線互聯(lián)的總線橋接模塊和總線譯碼模塊，總線譯碼模塊生成FPGA內(nèi)部總線掛載接口，F(xiàn)PGA內(nèi)部總線掛載接口掛接動態(tài)時鐘配置模塊、局部重構(gòu)配置模塊、其它自定義模塊和N個波形組件容器；波形組件加載控制處理器通過外部擴展總線連接FPGA對外總線接口，通過總線橋接模塊、總線譯碼模塊將波形組件數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA內(nèi)部總線掛載接口，將需要加載的波形組件容器數(shù)據(jù)寫入掛接在FPGA內(nèi)部總線掛載接口上的局部重構(gòu)配置模塊，對掛接在FPGA內(nèi)部總線掛載接口上的波形組件容器進行動態(tài)加載、耦合操作和復位操作，構(gòu)成多波形運行的通信數(shù)據(jù)交互通路；總線譯碼模塊通過掛載接口連接產(chǎn)生不同工作時鐘的時鐘管理單元CMT和包含有波形組件的各個波形組件容器的網(wǎng)表文件，運用Xilinx公司提供的綜合軟件將所有網(wǎng)表文件進行綜合生成碼流文件，并將碼流文件轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)據(jù)而獲得用于動態(tài)加載的波形組件數(shù)據(jù)。2.如權(quán)利要求1所述的多波形運行的局部動態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)，其特征在于：波形組件加載控制處理器通過外部擴展總線將波形組件數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA中的局部重構(gòu)配置模塊，實現(xiàn)通信波形加載。3.如權(quán)利要求1所述的多波形運行的局部動態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)，其特征在于：波形組件加載控制處理器將多種波形組件預先存儲在外部存儲器中，通過分時復用的方式使得單個模塊能夠加載并運行各種預定的波形，實現(xiàn)局部重構(gòu)。4.如權(quán)利要求1所述的多波形運行的局部動態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)，其特征在于：所述的外部擴展總線至少包含片選信號、讀使能信號、寫使能信號、數(shù)據(jù)線和地址線，其中，片選信號用于選擇總線設備，是總線設備的使能信號，讀使能信號用于表示總線讀操作，寫使能信號用于表示總線寫操作，數(shù)據(jù)線用于傳輸總線數(shù)據(jù)，地址線用于表示總線訪問的地址。5.如權(quán)利要求1所述的多波形運行的局部動態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)，其特征在于：總線譯碼模塊將總線的地址線所能表達的地址空間劃分為N個地址空間...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張清帥，黃揚洲，邢添翔，
申請(專利權(quán))人：西南電子技術(shù)研究所中國電子科技集團公司第十研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：四川,51