基于FPGA的動態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)研究
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3.2 通信結(jié)構(gòu)
3.2.1 分類
基于片上總線策略的通信結(jié)構(gòu)有： RMBoC(Reconfigurable Multiple Bus on Chip)和BUSCOM。基于片上網(wǎng)絡(luò)策略的通信結(jié)構(gòu)有： DyNoC(Dynamic Network on Chip)和CoNoChi(Configurable Network on Chip) 。
RMBoC是為多處理器系統(tǒng)提出的，基于可重構(gòu)多總線網(wǎng)絡(luò)改進而來的。任何系統(tǒng)級的重構(gòu)都不會改變RMBoC的模塊和物理拓?fù)?，?yīng)用層上的通信結(jié)構(gòu)改變是通過層疊網(wǎng)上的點對點通道。該結(jié)構(gòu)具有高靈活性，但是可伸縮性較弱，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 RMBoC結(jié)構(gòu)圖
DyNoC是首個將基于包的NoC方案用于可重構(gòu)設(shè)計的結(jié)構(gòu)，它由處理單元和路由器組成二維陣列，每個處理單元都連接一個路由器，路由器之間相互連接。該結(jié)構(gòu)的可伸縮性、延展性和可模塊化性能都很好，只是靈活性欠佳。一個5×5的DyNoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
圖3 5×5 DyNoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
4種結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)見表1，執(zhí)行參數(shù)（在VirtexII上實驗得到）見表2。特別指出，片上總線的執(zhí)行參數(shù)是針對整個結(jié)構(gòu)，而片上網(wǎng)絡(luò)的執(zhí)行參數(shù)是針對單個交換節(jié)點。
這4種結(jié)構(gòu)都能很好地滿足動態(tài)可重構(gòu)FPGA的設(shè)計要求。片上網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了較好的結(jié)構(gòu)參數(shù)，但是片上面積花費巨大，所以當(dāng)設(shè)計側(cè)重片上效率時，首選片上總線的結(jié)構(gòu)。
另外，BUSCOM只需要很少的硬件資源，而在分層總線結(jié)構(gòu)中RMBoC的靈活性優(yōu)于BUSCOM；CoNoChi具有最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)，是理論上最支持動態(tài)可重構(gòu)的結(jié)構(gòu)，但是在VirtexII平臺上執(zhí)行具有一定困難，因而設(shè)計了DyNoC來適應(yīng)VirtexII平臺有限的可重構(gòu)能力。
3.2.2 DyNoC的應(yīng)用實例
交通燈控制(TLC)可以用一個3×3的DyNoC來實現(xiàn)，由3個模塊組成: VGA控制器(VGA),交通燈視覺模塊(LV)和交通燈控制模塊(TC)。VGA模塊可以顯示目前路口情況、行人控制鍵和燈信號；交通燈視覺模塊負(fù)責(zé)控制交通燈內(nèi)部構(gòu)造，由VGA模塊顯示；交通燈控制模塊(TC)用來獲取行人需求。VGA發(fā)出X和Y 像素掃描的位置給交通燈視覺模塊，并接收需要顯示的顏色；FSM模塊用來監(jiān)控行人的鍵控輸入（片上有兩個按鈕），向交通燈視覺模塊發(fā)送轉(zhuǎn)換燈狀態(tài)的信息，然后顯示相應(yīng)顏色的燈。在3×3 DyNoC中，用正中的路由器來實現(xiàn)與其他所有路由器的連接，其他路由器也保持相互通信以確保高通信量。整個交通燈控制(TLC)的實現(xiàn)可以在沒有中斷和故障的情況下運行。
表1 4種結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)
表2 執(zhí)行參數(shù)（在VirtexII上實驗得到）
4 相關(guān)問題和發(fā)展趨勢
?、?目前片上系統(tǒng)設(shè)計中各IP組件可重用，但通信結(jié)構(gòu)無法重用。因此在系統(tǒng)重構(gòu)時，怎樣為動態(tài)配置的模塊提供一個靈活快速的通信接口成為主要問題?？裳芯恳环N動態(tài)可重構(gòu)的NoC架構(gòu)，能為各IP之間的通信提供靈活的接口，并能通過片上引腳與板級系統(tǒng)的其他芯片進行數(shù)據(jù)交換，提供較好的通信質(zhì)量QoS，包括高吞吐量和短延遲等。
?、?NoC設(shè)計的一個重要問題是決定路由類型，這對網(wǎng)絡(luò)的性能和功耗有重要影響。路由策略越復(fù)雜，設(shè)計面積就越大，因此需要在面積和性能之間進行折中。選擇路由策略應(yīng)主要考慮實現(xiàn)的復(fù)雜性和性能需求兩大問題。
?、?重構(gòu)時隙將影響系統(tǒng)功能的連續(xù)性，為提高動態(tài)可重構(gòu)計算系統(tǒng)性能,如何避免或減少重構(gòu)時隙是實現(xiàn)動態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)的瓶頸問題。對于多重context結(jié)構(gòu)的 D
結(jié)語
本文介紹了可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)和典型的動態(tài)可重構(gòu)計算結(jié)構(gòu)；詳細(xì)分析了動態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)，并對4種通信結(jié)構(gòu)的主要性能進行實驗，得出對比數(shù)據(jù)；列舉了一種結(jié)構(gòu)在交通燈控制中的應(yīng)用實例；最后探討了動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)研究面臨的相關(guān)問題和發(fā)展趨勢。
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