基于PCI总线的FPGA硬件资源虚拟化研究

作     者：张磊 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张锁良

授予年度：2018年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080902[工学-电路与系统] 08[工学] 

主      题：PCI总线 FPGA 动态部分可重构 VHDL 

摘      要：基于PCI总线的FPGA硬件资源虚拟化,是指利用PCI总线对FPGA进行程序配置,把一个FPGA芯片,按硬件资源面积,虚拟成多个可进行独立功能重构的小FPGA,以灵活实现设备的功能重组。这项研究包含两个关键技术,即基于PCI总线的FPGA多波形配置技术和FPGA动态重构技术。基于PCI总线的FPGA多波形配置技术,是利用PCI总线模拟FPGA的SELECTMAP配置的信号时序关系,对FPGA进行多版本配置。配置文件以.bin的方式,存在上位机的硬盘上。根据上位机监控软件的设置,选择适合的程序文件。FPGA的局部动态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,将功耗和成本控制在一个较低水平。如今FPGA局部动态可重构技术的突出优势令其在多功能仪器、航空航天、硬件的进化、系统容错等各行各业有着不可估量的应用前景。所以,FPGA的局部动态可重构技术的研究具有深远影响和重要的实际意义。首先本文对FPGA局部动态可重构技术的研究现状及前景进行了分析,并对FPGA的局部动态可重构的原理和设计实现流程进行了解读。然后在现阶段FPGA局部动态重构技术的基础上经过设计分析,提出了一种基于PCI总线的FPGA局部动态可重构的载板设计方案。本设计通过上位机、PCI总线接口、逻辑控制器,来实现FPGA的局部动态可重构。该设计通过上位机对FPGA进行软件化操作来实现FPGA的局部动态可重构。然后依据设计的要求进行了硬件资源选择,经过对程序配置流程的分析,制定了最合适的工作模式并搭建了系统的硬件电路。鉴于本文使用的是Xilinx的芯片,所以利用ISE集成开发环境,使用VHDL语言,先后对FPGA400和目标FPGA的逻辑功能进行描述,然后对目标FPGA各个功能模块进行综合生成网表文件,使用PlanAhead布局布线生成比特流文件,最后通过上位机软件操作,将比特流文件加载到目标FPGA上实现了所设计的逻辑功能,对结果进行分析。