基于GPRS的FPGA远程动态重构系统的研究

论文摘要

随着FPGA (Field Programmable Gate Array)的广泛应用,其灵活的配置性能和优异的数字处理性能越来越多地被展现出来。FPGA的动态重构也已成为计算机系统研究的新热点,它可以实现对FPGA的逻辑资源分时复用,缩减大型数字系统的IC规模,有效地降低功耗。但是对于工作在恶劣环境中的数字系统所遭遇的环境变化,预先设计的功能可能无法满足环境的需要,为此本文提出一种远程动态重构的方法,对系统设计进行远程升级。本文在分析动态重构的原理和FPGA配置结构的基础上,结合Xilinx公司提供的EAPR (Early Access Partial Reconfiguration)局部动态重构的设计方法,提出了一种基于IP核的动态重构改进设计,简化了设计流程。进一步,本文提出了一种基于GPRS无线数据传输的远程动态重构的方法。使用Lab VIEW编程语言在控制中心上位机设计一个TCP服务程序,采用TCP传输方式,将FPGA重构模块的配置数据传输至现场设备的GPRS模块。单片机读取GPRS模块缓存内数据转存至配置数据存储器。FPGA通过SystemACE控制器读取数据进行动态配置。因为GPRS具有永远在线特点,可以实时进行远程动态配置。配置数据采用CF卡进行存储,因为CF卡要接受单片机的写操作和SystemACE的读操作,本文采用多路复用器进行电路设计,对CF卡进行分时复用。随着FPGA集成规模不断扩大,配置文件也越来越大,为了提高系统重新配置的效率和节省数据无线传输的时间,采用改进的游程编码将配置数据进行有效的压缩,同时也可以节约CF卡存储空间。使用Xilinx公司的XUPV2P开发板、STC89C54、MC52i和CF卡构建了一个实验系统,创建了一个动态重构工程对本文的理论进行了验证。从数据无线传输到FPGA的重构,都进行了严格监控,系统运行稳定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题的研究目标和意义
• 1.3 可重构研究现状
• 1.4 本文的主要工作和章节安排
• 2 FPGA动态重构技术
• 2.1 可重构系统
• 2.2 可重构计算的硬件基础
• 2.3 布局布线算法
• 2.3.1 FPGA逻辑结构
• 2.3.2 布局布线算法
• 2.4 FPGA部分动态重构方法概述
• 2.4.1 基于Java接口的JBits实现方法
• 2.4.2 基于模块的部分动态重构实现方法
• 2.4.3 基于差异的部分动态重构实现方法
• 2.4.4 Early Access部分动态重构实现方法
• 3 远程动态重构系统的硬件结构
• 3.1 系统整体架构
• 3.2 动态重构的硬件设计
• 3.2.1 嵌入式微处理器PowerPC405
• 3.2.2 高级配置环境SystemACE
• 3.2.3 内部配置访问通道ICAP
• 3.2.4 配置数据无线传输与存储硬件电路
• 4 GPRS无线传输技术和数据压缩算法
• 4.1 GPRS无线网络通讯技术和MC52i通讯模块
• 4.1.1 GPRS网络结构
• 4.1.2 MC52i硬件及控制
• 4.2 配置数据的压缩算法
• 5 远程动态重构的实现
• 5.1 动态重构的本地实现
• 5.2 动态重构的远程实现
• 5.2.1 构建上位机TCP Server
• 5.2.2 配置数据的存储
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢