一种基于FPGA的可重构计算系统设计
可重构计算(Reconfigurable Computing)
发展趋势
…
…
系统互连的趋势
交换式结构代替总线式 高速串行点对点连接代替并行总线 基于包交换的协议代替独立控制信号 异步协议代替同步协议 传统意义上的互联走向通信模式？ 为可重构互连带来了机会？ 模块化 异步性
“拆”和“聚”
光互连让“拆”成为了可能: 长距离传输，带宽 可重构计算为“聚”提供了支持: 编制新的应用程序时，可直接调用共享内存或消息 传递算法模块，利用已有成果，加速程序的开发。一个应 用程序可能包括对三类结构库函数的并行调用。例如程序 员开发通过投票方式确定基因比对结果的程序（一组数据 调用三组函数库独立处理，结果比对，2：1为执行完）， 机器将自动调整为三部分（SMP、MPP、Cluster），并行 执行三个独立的程序，数据可以共享！
DSAG：光互连－“拆”；RC－“聚”，聚的过程需要重构 研究RC体系结构理论和方法对DSAG理论的指导 研究如何利用现有的RC技术和产品构建DSAG
RC的研究主题
体系结构 逻辑，连接 软件技术 描述，编译，开发环境 快速可重构技术 实时性，更高的动态性 应用 ASIC（小雨点卡），design/verification(龙芯)，DSAG （？）
可重构计算（Reconfigurable Computing）
李磊 eniac@ 智能中心HPC-OG组 2003-10-22
内容
RC：what&why RC的体系结构 RC的研究项目 RC与DSAG
RC：What & Why
可重构计算：Reconfigurable Computing， RC FPGA-based RC 历史：50年代，80年代 目标："the performance of hardware with the flexibility of software." ASIC－专用，processor－通用 性能－成本 我们的目的
fpga除法运算
fpga除法运算FPGA（Field Programmable Gate Array）是用于数据处理、数字信号处理、调制解调、高速通讯等领域的一种可重构的现场可编程门阵列芯片。
它通过可编程的硬件逻辑资源来实现各种功能，包括了数字电路中的算数逻辑单元（ALU）。
在数字设计中，除法是一种非常重要的算术运算，而FPGA中的除法是属于整数除法。
因为浮点除法很难用硬件实现且复杂度很高，所以FPGA中的除法大多是整数除法。
在FPGA中实现除法有两种方法:1. 直接方法：直接使用除法器，这种方式的局限性比较大。
2. 迭代法：将除法转化为乘法，每次计算一位，比较灵活。
下文将详细介绍迭代法。
迭代法的基本思路是将被除数逐位移位，不断进行减法运算，直到除数小于被除数，就得到了商和余数。
因为每次只需要减去一个二进制数，因此运算速度会比使用除法器快一些。
FPGA中的除法可以使用两种方法：恒定除法和非恒定除法。
1. 恒定除法：被除数和除数的位数是恒定的，即所有数码相乘的结果按照一定规律进行加法运算。
2. 非恒定除法：被除数和除数的位数不确定，需要不断移位和相减以获得余数和商，这需要使用迭代方法。
原理介绍：FPGA中的迭代法除法通常采用的是高斯-约旦算法。
该算法的基本原理是使用几个数码相等的跨度，通过移位和加减运算进行迭代循环，将大数除以小数，得到除数和余数。
这个过程就是高斯-约旦算法，也被称为尾数规制法。
这种算法要求被除数和除数都是非负的，通过对两个正整数之间的无限不循环小数进行近似，将除法问题转化为乘法问题。
算法步骤：1. 消除除数最高位不为1的情况。
2. 对于每一位，将被除数左移一位并减去除数。
如果差值为负数，那么这一位就标记为0，否则标记为1，余数也会减去这个值。
3. 重复以上步骤，直到被除数小于除数，并得到商和余数。
举个例子来说明具体的计算过程：假设被除数为1101，除数为0110，如下所示。
- 首先从除数的最高位开始，找到最高的1（此例中是第二位）。
基于FPGA的动态可重构体系结构
可重构结构是一种 可 以根 据运算 情况 重组 自身资源 ， 实 现硬件结构 自我优化 、 自我生成 的计算技 术 。动 态可重构 可 快速实现器件 的逻辑重 建 ， 它的 出现为处 理大规模 计算 问题
提供 了一种兼具通用处理器 灵活性 和 Ａ Ｉ ＳＣ电路 高速性 的解
整数处理单元 、 指令 Ｃ ｃｅ 数 据 Ｃ ｃｅ和存 储器管 理单元构 ａｈ 、 ａｈ 成了 Ｌ Ｏ ２处理器 的运 算核心 ， Ａ Ｂ和 Ａ Ｂ两级总线构 ＥＮ 而 Ｈ Ｐ 成了处理器的外 围数 据 总线 ， 通过 Ａ Ｂ Ａ Ｂ总线 桥相 连 并 Ｈ／Ｐ 接 。通过 两级 总线 的联合使用 ，Ｅ Ｎ Ｌ Ｏ ２可 以与 不同带宽 的存 储 器和外 部接 口相连接。
可重构Keccak算法设计及FPGA实现
可重构Keccak算法设计及FPGA实现作者：吴武飞王奕李仁发来源：《计算机应用》2012年第03期摘要:在分析研究Keccak算法的基础上,针对现有Keccak算法的硬件实现方案版本单一,应用不灵活的问题,设计了一种高性能可重构的Keccak算法硬件实现方案。
实验结果表明:该方案在Xilinx 公司的现场可编程门阵列平台上的时钟频率可达占用该方案具有吞吐量高应用灵活性好,可支持4种不同参数版本的优点。
关键词:Keccak算法;海绵结构;哈希算法;可重构;现场可编程门阵列中图分类号: TP332.1 文献标志码:AReconfigurable Keccak algorithm and its implementation on FPGA platform1.Embedded Systems and Networking Laboratory, Hunan University, Changsha Hunan 410082,2.Hunan Province Graduate Innovation Base, Hunan University, Changsha Hunan 410082,3.Hunan Province Key Laboratory of Network and Information Security, Hunan University, Changsha Hunan 410082, ChinaAbstract:Based on the analysis of Keccak algorithm, concerning the situation that the existing hardware implementations of Keccak algorithm lack of flexibility and could only support one version, this paper proposed a new reconfigurable Keccak hardware implementation, which could support four versionsbeing ported to Xversions.Keccak algorithm;sponge structure;Hash algoArray (FPGA)0 引言安全散列算法是由美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)于1993年发布的一种数据加密算法。
可重构计算平台的硬件结构设计
Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｚ ｈ ｅ ｎ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ２ １ ２ ０ ０ ３ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
周期 ， 然而 ， Ｐ ｃ也经常用来处理一些计算密集型高吞 吐量 Ｐ Ｃ机 设 计 的 ， Ｐ Ｃ机 通 过 总 线 （ 如 Ｐ Ｃ Ｉ一３ ３ ， Ｐ Ｃ Ｉ—Ｘ，
的数据 ， 特别是在科学研究 工作方 面 ， 在 这种情 况下典 型 Ｆ ｉ ｒ ｅ Ｗｉ ｒ ｅ 或者 Ｕ Ｓ Ｂ） 访问 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ， 要使得 处理数据 和 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ
【 Ｋ ｅ ｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ 】ｒ ｅ ｃ ｏ ｉｇ ｆ ｎ ｕ ｒ ａ ｂ ｌ ｅ ｃ ｏ ｍ ｐ ｕ ｔ ｉ ｎ ｇ ； ｈ ａ ｒ ｄ ｗ ｒ ａ ｅ ｐ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｍ； ｒ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｌ ａ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ； ｇ Ｆ Ｐ Ｇ Ａ
运行在冯 ・ 诺依曼 或哈佛结构 …设 计 的计算 机处理
ｌ ｉ Ｐ Ａ Ｒ Ｔ ｓ ＆ Ａ Ｐ Ｐ 器 Ｌ Ｉ Ｃ 件 Ａ 与 Ｔ Ｉ 应 Ｏ Ｎ 用 Ｓ
【 本文献信息】吴将， 朱志宇， 沈舒 ． 可重构计算平 台的硬件结构设计［ Ｊ ］ ． 电视技术， ２ ０ １ ４ ， ３ ８ （ ７ ）
可重构计算平台的硬件结构设计
吴 将， 朱志宇 ， 沈 舒
基于模块化设计方法实现FPGA动态部分重构汇总
基于模块化设计方法实现FPGA动态部分重构动态部分重构可以通过两种方法实现：基于模块化设计方法(Module-BasedParTIalReconfiguration)和基于差别的设计方法(Difference-BasedPartialReconfiguration)，本文以基于模块化设计为例说明实现部分重构的方法。
1FPGA配置原理简介本文针对Xilinx公司的FPGA进行研究，支持模块化动态部分重构的器件族有Virtex/-II/-E和Virtex-IIPro。
Xilinx公司FPGA是基于SRAM工艺的，包括配置逻辑块(CLBs)，输入输出块(IOBs)，块RAMs，时钟资源和动态部分重构可以通过两种方法实现：基于模块化设计方法(Module-Based ParTIal Reconfiguration)和基于差别的设计方法(Difference-Based Partial Reconfiguration)，本文以基于模块化设计为例说明实现部分重构的方法。
1 FPGA配置原理简介本文针对Xilinx公司的FPGA进行研究，支持模块化动态部分重构的器件族有Virtex/-II/-E和Virtex-II Pro。
Xilinx公司FPGA是基于SRAM工艺的，包括配置逻辑块(CLBs)，输入输出块(IOBs)，块RAMs，时钟资源和编程布线等资源[2]。
CLBs是构造用户所需逻辑的功能单元，IOBs提供封装引腿与内部信号引线的接口。
可编程互连资源提供布线通道连接可配置元件的输入和输出到相应的网络。
存储在内部配置存储器单元中的数值决定了FPGA实现的逻辑功能和互接方式。
Virtex FPGA的配置存储器是由配置列(Configuration Columns)组成的，这些配置列以垂直阵列的方式排列，如图1给出了Virtex-E XCV600E器件的配置列构成图。
配置存储器可分为五种配置列：Center 列包含四个全局时钟的配置信息;两个IOB 列存储位于器件左边和右边所有IOBs的配置信息;CLB列存储FPGA基本逻辑功能的配置信息;Block SelectRAM Content列存储内部块RAM的配置信息;Block SelectRAM Interconnect列存储内部块RAM间互联的配置信息[3]。
fpga现代数字系统设计教程——基于xilinx可编程逻辑
fpga现代数字系统设计教程——基于xilinx可编程逻辑1. 引言1.1 概述:在当今数字系统设计领域，快速、高效的设计流程和可靠的硬件实现是至关重要的。
而可编程逻辑器件（FPGA）作为一种灵活且可重构的芯片，正逐渐成为数字系统设计中的主流选择。
本教程将介绍如何利用Xilinx可编程逻辑来进行现代化数字系统设计。
1.2 文章结构:本文将按照以下方式组织内容：第二部分将对FPGA进行概述，包括可编程逻辑器件简介以及Xilinx FPGA的介绍。
此外，我们还将探讨FPGA在数字系统设计中的各种应用。
第三部分将回顾一些基本原理，并提供如何搭建开发环境的指南。
其中包括对数字电路基础知识的回顾、VHDL语言简介和基础语法，以及Xilinx Vivado工具的安装与配置方法。
第四部分将详细介绍FPGA设计流程与实践技巧。
我们会讲解项目创建与工程管理方法，并探讨如何实现模块化设计和代码重用性提高的技巧。
另外，还会介绍仿真与验证技术在FPGA设计过程中的应用。
第五部分则涵盖了一些高级主题与应用案例分析。
我们将重点讨论并行计算与加速器设计、数据通信与嵌入式系统设计以及高精度数据处理系统设计等领域的案例分析，并提供相应的实践指导。
1.3 目的:本教程通过详细讲解FPGA现代数字系统设计的流程和技巧，旨在帮助读者全面了解FPGA在数字系统设计中的应用，并提供实用的指导和建议。
通过学习本教程，读者能够掌握从开发环境搭建到高级应用案例分析所需的知识和技能，为他们日后在数字系统设计领域取得成功打下坚实基础。
无论是初学者还是有经验的工程师，都能从本教程中获益，并将其应用于自己的项目中。
2. FPGA概述:2.1 可编程逻辑器件简介:可编程逻辑器件（FPGA）是一种基于可重新配置数字电路的集成电路芯片，它可以实现用户定义的数字逻辑功能。
与传统的定制集成电路（ASIC）相比，FPGA 具有灵活性强、开发周期短和可重构性等优势。
基于FPGA的可重构性数字逻辑实验方法
（） ５ 在实验板上按照上图将所需的器件用导线连接在一起 ， 并用示波器观察输 出信号 的波形 ， 即可 验证设计电路的准确性。 ２ 基 于 ＩＡ的计数 器 的设计 Ｇ 方法一 ： 用原理图输入法设计 其 步骤 为 ：
（） １ 根据设计要求 ， 按照传统的异步时序电路的设计方法 ， 即得到状态表达式和时钟脉冲信号 ， 利
作者简介 ：江晋剑 ， ， 男 安徽枞 阳人 ， 安庆师范学 院计算机与信息学院讲师 ， 主要研究嵌人式 系统应用与模式识别。
・
１ ８・ ２
安庆师范学院学 报（ 自然科学版 ）
－＿ ＿＿＿＿● ＿
１ １ １ １ １０Ｈ １ １ ０ １０ １０ Ｈ １０ １０ １ １ Ｈ Ｏ Ｈ １ ０Ｈ １ １ ０ ０ ０ ０ Ｉ
方法 二 ： 文本 文件输 入设 计 用
将方法一中的原理图输入法改为用文本输入法设计时， 只有输入方法的变化 ， 其设计编译与设计校 验是相同的。在 Ｈ Ｌ Ｄ 编辑界面下， 键人如下 Ｖ Ｄ Ｈ Ｌ代码 ：
ｌ ｒ ｒ ｅ ｅ； ｉ ａｙｉｅ ｂ １ ｕ ｅ ｉｅ ． ｔ ｌ ｇｃ １ ６ ａｌ ｓ ｅ ｅ ｓｄ ｏ ｉ ４． ｌ；
图如 图 ３所示 。
图 ３ 全部变量 的次态卡诺 图
为了便于说明， 将上述综合次态卡诺 图分解为各变量的次态卡诺图， 如图 ４ 所示。
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图 ８ 时序仿 真波形
从校验仿真后得到的波形来看 ， Ｒ ｓ 为低 电平时 ， 当 ｅｔ ｅ 计数器输出（３ ２ １０ 恒为 ００ 。当 Ｒ ｓ ｑ ｑｑ ｑ ） ００ ｅｔ ｅ 为高电平时 ， 当下一个时钟上升延来临时 ， 计数器开始计数。原理图输入法要求学生对所设计题 目的逻 辑功能有深刻的理解 ， 在此基础上列出真值表（ 或状态图）经化简等过程之后才能得到其原理 图， ， 从而 巩 固 了本 课程所 学 的基本 理论 。
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一种基于FPGA的可重构计算系统设计
引言：
近年来，随着计算机科学和技术的快速发展，人们对于计算系统的需求也日益增加。
可重构计算系统作为一种特殊的计算机体系结构，能够在运行时改变其功能和结构，以适应不同的应用需求。
其中，基于FPGA的可重构计算系统凭借其高度灵活、高性能的特点成为研究的热点之一一、可重构计算系统基本概念
可重构计算系统是一种结合了硬件和软件的计算机体系结构。
它有两个关键的特点：一是硬件架构的可变性，即可以在运行时对硬件进行重新配置从而改变其功能和结构；二是能够根据任务进行定制化配置，即针对特定应用场景进行定制设计。
二、FPGA的基本原理
FPGA（Field Programmable Gate Array）是可编程门阵列的简称，是一种可重构的数字集成电路。
FPGA由大量的逻辑块、存储器单元和互连通道组成，用户可以通过在FPGA上编程，将逻辑门和互连通道配置成各种不同的电路，从而实现不同的功能。
1.硬件层面设计：
在基于FPGA的可重构计算系统中，需要考虑以下硬件设计方面：
（1）逻辑单元设计：根据具体应用需求，设计逻辑单元以实现特定的逻辑功能。
（2）互连通道设计：根据逻辑单元之间的通信需求，设计合适的互连通道，以保证高效的数据传输。
（3）存储器设计：设计合适的存储器单元，用于存储中间结果或者
配置信息。
（4）时钟设计：设计合适的时钟分配方案，以保证系统的稳定性和
性能。
2.软件层面设计：
在基于FPGA的可重构计算系统中，需要考虑以下软件设计方面：
（1）编程模型设计：设计适合系统特点的编程模型，以便用户能够
根据需求进行编程。
（2）编译器设计：设计针对该系统的特定编译器，将高级语言代码
转换为硬件描述语言。
（3）运行时支持设计：设计系统运行时的支持环境，例如任务调度、内存管理等。
3.性能优化：
在设计基于FPGA的可重构计算系统时，需要考虑性能优化的问题，
例如：
（1）并行计算：利用FPGA的并行计算能力，设计合适的并行算法和
任务划分方案，提高系统的计算性能。
（2）资源利用率：充分利用FPGA的资源，减少资源的浪费，提高系
统的效率。
（3）功耗优化：设计合适的电源管理策略，降低系统的功耗。
四、应用实例
基于FPGA的可重构计算系统广泛应用于各个领域，例如：
1.信号处理：基于FPGA的可重构计算系统能够实现高效的信号处理算法，广泛应用于无线通信、雷达信号处理等领域。
2.图像处理：基于FPGA的可重构计算系统能够实现高效的图像处理算法，广泛应用于计算机视觉、图像识别等领域。
3.科学计算：基于FPGA的可重构计算系统能够实现高性能的科学计算算法，广泛应用于物理模拟、仿真等领域。
结论：
基于FPGA的可重构计算系统以其高度灵活、高性能的特点成为研究的热点之一、在系统设计中需要综合考虑硬件和软件两个层面的设计，并进行性能优化。
未来，随着FPGA技术的进一步发展，基于FPGA的可重构计算系统将在各个领域得到更广泛的应用。