現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）作為集成電路領(lǐng)域發(fā)展最快的一個(gè)分支，兼具ASIC電路的高性能和軟件編程的靈活性，在數(shù)字邏輯系統(tǒng)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。在主流的FPGA中，絕大多數(shù)都采用了SRAM來存放配置數(shù)據(jù)，稱為SRAM FPGA。這種FPGA的突出優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行多次配置。通過給FPGA加載不同的配置數(shù)據(jù)，即可令其實(shí)現(xiàn)不同的邏輯功能．FPGA這種可重配置的能力將給數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來很大的方便。

FPGA的可重配置有兩種方式：靜態(tài)可重配置和動(dòng)態(tài)可重配置翻。靜態(tài)可重配置系統(tǒng)在它的整個(gè)應(yīng)用運(yùn)行中不再改變FPGA的結(jié)構(gòu)。一般是指在系統(tǒng)（或器件）上電以后，將存放在FPGA外部的非易失性存儲(chǔ)器（如EEPROM）中的配置數(shù)據(jù)一次性加載到FPGA內(nèi)部的配置存儲(chǔ)器SRAM中，在系統(tǒng)運(yùn)行期間，SRAM中的配置數(shù)據(jù)始終保持不變；當(dāng)系統(tǒng)再次啟動(dòng)時(shí)，則可以通過加載不同的配置數(shù)據(jù)來改變FPGA的邏輯功能。傳統(tǒng)的FPGA采用靜態(tài)配置的方法。所以在應(yīng)用它的生命周期中，其功能就不能再改變。除非上電重新配置。動(dòng)態(tài)可重配置系統(tǒng)在系統(tǒng)工作運(yùn)行過程中改變FPGA的結(jié)構(gòu)．一般指在系統(tǒng)運(yùn)行期間，隨時(shí)可以通過對(duì)FPGA的重新配置來改變其邏輯功能。而且并不影響系統(tǒng)其他部分的正常運(yùn)行。根據(jù)可重配置部分的大小可分為全局動(dòng)態(tài)可重配置和局部動(dòng)態(tài)可重配置13l。這里探討了全局動(dòng)態(tài)可重配置技術(shù)，并詳細(xì)闡述使用Xilinx系統(tǒng)高級(jí)配置環(huán)境System ACE（System Advanced Configuration Environment）實(shí)現(xiàn)Virtex-5全局動(dòng)態(tài)可重配置的關(guān)鍵問題。

1 System ACE技術(shù)

Xilinx提供系統(tǒng)高級(jí)配置環(huán)境（System ACE）是為了滿足多FPGA空間有效性、高密度，配置解決方案的需要，該配置方案僅支持FPGA而不支持CPLD和PROM。System ACE是一種全新的在系統(tǒng)可編程配置解決方案。合理利用此技術(shù)可以方便的實(shí)現(xiàn)全局動(dòng)態(tài)可重配置，實(shí)現(xiàn)FPGA的時(shí)分復(fù)用。提高資源利用率。System ACE CF餌決方案包括System ACE控制器和普通商用的CF卡2部分。圖l所示為System ACE CF控制器框圖。System ACE控制器有4個(gè)接口，其中Compact Flash接口。MPU接口，Test JTAG接121都可以通過Configuration JTAG接口來配置FPGA。這里主要采用Compact Flash接口的多個(gè)位流配置文件來實(shí)現(xiàn)FPGA的重配置。Compact Flash接口兼容標(biāo)準(zhǔn)的CF卡（最大8 GB）和日立的微驅(qū)動(dòng)器件（最大6 GB）。

2 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可重配置的硬件設(shè)計(jì)及原理

System ACE和FPGA的JTAG連接方式如圖2所示，JTAG下載線端口連接System ACE的Test JTAG端．FPGA的JTAG端口連接System ACE的Configumtion JTAG端。使用中FPGA選擇JTAG配置模式。CF卡存放要配置的位流文件，最多可以存儲(chǔ)8個(gè)不同的位流配置文件．配置文件的選擇由地址線CFGADDR【2：0】決定，3位地址線可以無沖突的選擇配置8個(gè)配置文件中的一個(gè)。

當(dāng)需要對(duì)FPGA重配置時(shí)．只需要調(diào)整配置地址線CFGADDR的狀態(tài)，使其指定相應(yīng)的配置文件，然后拉低RESET管腳，使System ACE控制器復(fù)位，System ACE控制器就會(huì)按照新指定的配置地址重新讀取配置文件并通過Configuration

JTAG口配置FPGA。

實(shí)際應(yīng)用中可以使用用戶定義邏輯的可編程邏輯器件CPLD通過重配置轉(zhuǎn)移條件來控制CFGADDR和RESET的狀態(tài)，自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)重配置，也可以使用外部撥碼開關(guān)，手動(dòng)控制CFGADDR和RESET來實(shí)現(xiàn)重配置，其配置時(shí)序如圖3所示。

3 實(shí)現(xiàn)方法細(xì)節(jié)

3．1 配置文件和配量引導(dǎo)文件

使用iMPACT工具中的System ACE選項(xiàng)。將指定的.bit位流文件轉(zhuǎn)化為．a(chǎn)ce配置文件，同時(shí)會(huì)自動(dòng)生成Xilinx．sys配置引導(dǎo)文件。其中，．a(chǎn)ce配置文件用來配置FPGA，Xilinx．sys配置引導(dǎo)文件用來引導(dǎo)System ACE尋找指定的配置文件。其內(nèi)容（可根據(jù)需要自行修改）如下：

是CF卡根目錄下的文件夾名。系統(tǒng)會(huì)進(jìn)人此文件夾查找配置文件；，??是目錄下的文件夾名，其中直接存放配置文件，且每個(gè)文件夾下只能存放1個(gè)．a(chǎn)ce文件。

3．2 CF卡存放文件的目錄結(jié)構(gòu)

根據(jù)配置文件個(gè)數(shù)的多少，CF卡內(nèi)存放文件的目錄結(jié)構(gòu)有以下2種：

1）當(dāng)存在大于等于1個(gè)配置文件時(shí)，根目錄下存放文件夾和Xilinx．sys配置引導(dǎo)文件，文件

夾下存放，??文件夾。文件夾下存放各自的．a(chǎn)ce配置文件（《

cfgX_name》文件夾也可以為空）。System ACE CF控制器根據(jù)其外部的配置地址（CFGADDR）管腳狀態(tài)選

文件夾和配置文件。

2）當(dāng)只有1個(gè)配置文件時(shí)?？梢灾苯訉ⅲ產(chǎn)ce配置文件存放在CF卡的根目錄下。不需要Xilinx．sys配置引導(dǎo)文件。此

模式下。系統(tǒng)缺省直接使用這個(gè)．a(chǎn)ce文件配置FPGA，忽略外部的配置地址管腳狀態(tài)。

3．3 CF卡的文件和格式化要求

1）CF卡分區(qū)必須使用FATl2或FATl6格式化，System ACE CF控制器不支持FAT32文件系統(tǒng)。FAT12格式下分區(qū)容量最大為16 MB（最多4096個(gè)簇。每簇最大4 KB），F(xiàn)ATl6格式下分區(qū)容量最大為2 GB（最多65 536個(gè)簇，每簇最大

32 KB）。

2）每簇的扇區(qū)個(gè)數(shù)必須大于1。每個(gè)扇區(qū)的容量為128x2N字節(jié)（DOS下N取2）。

3）System ACE CF文件必須放在CF卡第1個(gè)分區(qū)下面。

4）CF卡第1個(gè)分區(qū)的分區(qū)導(dǎo)入記錄必須指定為1個(gè)保留扇區(qū)。Windows 2000，Windows NT和Windows 98操作系統(tǒng)下格式化時(shí)缺省為1個(gè)保留扇區(qū)。但是Windows XP下格式化CF卡時(shí)會(huì)根據(jù)CF卡的密度自動(dòng)生成為2~8個(gè)保留扇區(qū)。因此，Windows XP下格式化的CF卡不能直接使用，這時(shí)可以使用mkdosfs工具在Windows XP下手動(dòng)輸入指定格式化的參數(shù)。

5）文件名按照FAT8.3格式規(guī)范命名。其他的文件和目錄可以和System ACE文件和目錄共存。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種利用System ACE實(shí)現(xiàn)FPGA全局動(dòng)態(tài)可重配置的方法．并詳細(xì)討論了實(shí)現(xiàn)的技術(shù)細(xì)節(jié)。實(shí)驗(yàn)中采用本方法實(shí)現(xiàn)了Virtex系列的5VFX70T器件的全局動(dòng)態(tài)可重配置，方案設(shè)計(jì)合理可靠，達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。合理使用全局動(dòng)態(tài)可重配置技術(shù)可以使FPGA在不同的時(shí)間段內(nèi)。作為不同的硬件電路使用。并且在切換過程中，電路板不需要斷電重上電，因此不會(huì)影響除FPGA外的其他電路的正常工作。因此，與靜態(tài)可重配置相比。FPGA的動(dòng)態(tài)可重配置具有更廣闊的應(yīng)用前景。