CN103019947B

CN103019947B - 一种fpga芯片配置信息模型的层次化构建方法

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Publication number: CN103019947B
Application number: CN201210493318.9A
Authority: CN
Inventors: 来金梅; 王驰; 王键; 周灏
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2032-11-28
Also published as: CN103019947A

Abstract

本发明属于电子技术领域，具体为一种FPGA芯片配置信息模型的层次化构建方法。具体包括：(一)层次化划分SRAM地址，是将整块FPGA的SRAM阵列按地址等级从上往下分别划分为：TOP,AREA,BLOCK,TILE,FRAME,BIT六个层次；(2)层次化构建可编程资源，是将可配置资源的配置信息划分为4个层次，从底层向顶层分别为：SRAM层，ELEMENT层，SITE层和TILE层。本方法具有通用性，在设计不同款FPGA芯片时，只需要按照本方法要求建立配置模型，便能采用同一种SRAM阵列值查找程序生成位流；采用层次化思想建模，不仅能够清晰地描述电路内部的层次关系，便于后期测试和验证，还能极大地减小配置数据的存储以及解析该模型的软件运行所需要的内存。

Description

一种FPGA芯片配置信息模型的层次化构建方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，具体涉及一种FPGA芯片配置信息模型的层次化构建方法。

背景技术

目前，FPGA芯片和配套的EDA设计软件正在为IC设计提供灵活快捷的设计解决方案和验证方案。现在主流的FPGA大多基于SRAM单元配置，通过对片内SRAM置0或置1来完成数据通路选择和互联的开关，从而实现各种电路功能。在配置FPGA时，必然需要一套数据库来为我们提供该FPGA所能提供的配置选项和相应SRAM值的全部信息。为了迎接FPGA日益扩大的阵列规模以及日益增多的可配置单元提出的挑战，我们提出了一种普遍适用的建模方法，能够提供所有已有可配置资源的正确配置信息，同时，即使再有新的可配置单元出现，也能使用该方法迅速建立该单元的配置信息模型。

发明内容

本发明的目的在于提出一种普遍适用的建模方法，为FPGA中所有可配置资源建立配置信息模型。该模型能够配合较为简单的SRAM配置值查找程序，根据较高抽象层次的电路描述来生成配置位流，从而达到配置FPGA的目的。

本发明提出的普遍适用的建模方法，配置信息模型的最根本的描述对象是FPGA中的SRAM阵列。为了获取正确的配置信息，我们需要对FPGA芯片内部所有SRAM和其控制的可编程资源的配置信息进行统一建模。由于FPGA阵列模块设计的复用性和重复性很高，本发明故采用层次化的建模方式来构建该配置信息的模型。本发明的层次化主要体现在两个发面，一是SRAM地址划分的层次化，二是可编程逻辑资源配置信息的层次化。

（一）SRAM地址划分的层次化

随着FPGA阵列的扩大，SRAM阵列的规模更为庞大，这决定着我们必须考虑采用多级地址。本发明将整块FPGA的SRAM阵列按地址等级从上往下分别划分为：TOP,AREA,BLOCK,TILE,FRAME,BIT六个层次（附图1）。其中：

（a）BIT即对应一个SRAM，值为SRAM的输出。SRAM输出由WL(WordLine,地址线)和BL（BitLine,数据线）共同控制。

（b）FRAME的由纵向的BIT构成，长度根据TILE中SRAM阵列规模而定。本发明规定一个的由纵向的BIT构成，长度根据TILE中SRAM阵列规模而定。本发明规定一个FRAME中的SRAM由同一个WL控制，意味着同一FRAME的SRAM在编程下载时会被同时配置，这也决定了FRAME的地址次序应与WL的选通次序保持一致。

（c）BLOCK由横向的FRAME组成，其中的SRAM阵列的长度与FRAME长度相同，宽度等于一个TILE所拥有的WL个数。

（d）AREA由横向的BLOCK组成，其中SRAM阵列的长度与FRAME长度相同，宽度由包含的BLOCK个数确定。AREA的划分个数根据芯片规模确定，当电路规模较小时，可只划分一个AREA，即TOP和AREA层次相同。

（e）TOP由所有AREA组成，是SRAM阵列顶层。

（二）层次化构建可编程资源

在本发明提出的结构模型中，TILE层以上的信息将直接给出，但FRAME和BIT需要通过查找可编程资源的配置信息模型得到，于是我们提出了层次化构建可编程资源的方法。

逻辑门、触发器(DFF)、选择器(MUX)、存储器(RAM)和查找表(LUT)是构成FPGA的最基本的几个模块单元，在构建配置信息模型时，我们可以将FPGA看成是由众多诸如此类的黑匣子构成的，我们只需要知道这些黑匣子的配置选项和选择某个选项时对应的SRAM值，而根本不必了解黑匣子内部具体的电路实现。

在上述基本逻辑单元的基础上，本发明根据具体电路，将可配置资源的配置信息划分为4个层次，从底层向顶层分别为SRAM层，ELEMENT层，SITE层和TILE层（附图2）。其中：

(a)SRAM层

对SRAM对象建模的内容包括：名称，值。

(b)ELEMENT层

ELEMENT层描述最小功能单元模块的配置信息，建模的内容包括：名称，功能选项，以及功能选项对应的SRAM集合的值。其中，功能选项需要制定该功能是否为默认配置选项，在对FPGA的SRAM阵列进行赋值初始化时，需要根据默认配置选项来确定默认配置值。

(c)SITE层

SITE由ELEMENT层模块构成，包括可编程逻辑资源(SLICE)和可编程互联资源(GSB)两大类。例如，一个简单的可配置逻辑片SLICE单元中含有LUT，MUX和DFF三种基本单元。

(d)TILE层

TILE由SITE层模块构成，是组成FPGA阵列的最小重复单元。在TILE层中主要描述TILE中所有SRAM对应的BL和WL，从而实现TILE层中的SRAM地址区分。

有益效果

本方法具有通用性，在设计不同款FPGA芯片时，只需要按照本方法要求建立配置模型，便能采用同一种SRAM阵列值查找程序生成位流。配套的查找算法能够根据电路配置的具体要求，在配置模型中查找所需实现功能对应SRAM值的集合；根据SRAM地址和值将该集合映射成规定格式的二进制位流文件，通过编程下载程序和电路下载到FPGA中，最终实现配置FPGA芯片以获得所需电路。此外，采用层次化思想建模，不仅能够清晰地描述电路内部的层次关系，便于后期测试和验证，还能极大地减小配置数据的存储以及解析该模型的软件运行所需要的内存。

附图说明

图1为SRAM地址划分示意图，图中为了清晰地表示各地址层次的地址范围，特意将每个层次独立出来表示，它们是相互交叉来共同实现SRAM地址标识，如最左上角的BLOCK中所示。

图2为配置信息模型层次示意。从下往上分别为SRAM层，ELEMENT层，SITE层和TILE层。

图3为位流生成软件流程。

图中标号：1.TOP，FPGASRAM阵列顶层；2.AREA，配置域，大规模FPGA可划分为多个域分别进行配置；3.BLOCK，由AREA中属于同一列TILE的SRAM构成；4.TILE，为FPGA的最小重复单元；5.FRAME，帧，为FPGA下载的最小数据流，长度固定；5.BIT，构成帧的比特，1比特对应一个SRAM。

具体实施方式

（1）建立目标FPGA配置信息模型

根据具体目标FPGA的具体电路功能，采用本发明提出的层次化构建方法建立相应的配置信息模型。

（2）编写电路配置文件

由于FPGA的巨大规模和人脑的局限性，在配置FPGA时我们不可能直接指定每个SRAM的配置值。因此我们需要先人为地或者借助EDA工具在较高抽象层次上规定FPGA中各可编程逻辑资源的配置选项，再通过程序将这种抽象层次较高的配置要求转换为FPGA下载电路能够读取的二进制文件。

对于FPGA中所有可编程资源，其功能均可以用“可编程资源名-功能名”的键值对形式描述，其中功能名必须与使用本发明方法建立的配置模型中给出的SITE功能选项保持一致。例如：4输入LUT实现逻辑功能F=A1+A2+A3+A4，可表述为“LUT-F=A1+A2+A3+A4”；MUX选通0输入端，可表述为“MUX-0”；DFF配置成锁存器，可以表述为“DFF-LATCH”；互联单元GSB中P0到P1的通路导通，可表述为“GSB-P0->P1”；一个16位块存储单元BlockRAM配置成全1，可以表述为“BlockRAM-1111111111111111”。

此外，电路配置文件还可以有更高层次的描述，即使用宏模块。宏模块中已经预先使用上述方法编写好所有可配置单元的配置情况，在调用时根据FPGA电路实际可用资源直接例化。

（3）初始化BitMap

BitMap是描述FPGASRAM阵列信息的数据结构，其中每个结点与BitMap中的SRAM一一对应。结点包含SRAM的名称、值、地址、赋值控制线信息。在初始化时，需要从配置模型中给出的SRAM地址划分情况确定SRAM个数，以及根据默认功能选项来确定SRAM初始值。

（4）根据配置功能选项要求重置BitMap相应结点

可编程单元的种类不同，相应的SRAM值查找方式也会有所不同。其中可编程功能单元查找算法为键值查找和等式换算；可编程互联单元的查找算法为路径查找；可编程存储单元的查找算法为RAM查找。

1）键值查找

键值查找用于可编程单元为非LUT的逻辑单元的情况，功能名为待实现功能的配置选项要求。直接根据键名，也就是功能名找到SRAM的配置值。

2）等式换算

等式转换用于可配置单元为LUT，功能名为布尔表达式的配置要求。等式换算将算出布尔表达式中所有输入变量可能情况下相应SRAM的配置值。如查找四输入LUT实现F=A1+A2+A3+A4时相应SRAM配置值时，在A1A2A2A4=0000时选通SRAM0，若要F=A1+A2+A3+A4=0，那么SRAM0=0，对于A1A2A3A4=0001~1111的情况以此类推，得到SRAM0~15=0111111111111111。

3）路径查找

路径查找用于可配置单元为互联单元，功能名为路径起始点的配置要求。根据路径的起点和终点和配置模型中有关互联结构的描述我们可以定位到控制该路径的开关，继而可以确定控制该开关的SRAM值。

4）RAM查找

RAM查找用于可编程单元为存储单元，功能名为存储数据的情况。存储单元本身包含在BitMap中，可从配置模型中提取存储单元RAM在BitMap中的地址信息，存储数据直接为RAM的配置值。

（5）SRAM映射成位流文件，实现下载

FPGA中SRAM的配置先后顺序是按照帧地址由低到高排列的，因此我们可以通过配置模型中的地址划分将BitMap中所有SRAM打包成帧，再将这些FRAME按地址先后顺序排列，最终输出为位流文件，下载到电路中实现需要的电路。

Claims

1.一种FPGA芯片配置信息模型的层次化构建方法，其特征在于具体步骤为：（一）SRAM地址划分的层次化，（二）可编程逻辑资源配置信息的层次化，其中：

（一）SRAM地址划分的层次化

将整块FPGA的SRAM阵列按地址等级从上往下分别划分为：TOP,AREA,BLOCK,TILE,FRAME,BIT六个层次，其中：

（a）BIT即对应一个SRAM，值为SRAM的输出；SRAM输出由WL和BL共同控制；

（b）FRAME由纵向的BIT构成，长度根据TILE中SRAM阵列规模而定；一个FRAME中的SRAM由同一个WL控制，意味着同一FRAME的SRAM在编程下载时会被同时配置，这也决定了FRAME的地址次序应与WL的选通次序保持一致；

（c）BLOCK由横向的FRAME组成，其中的SRAM阵列的长度与FRAME长度相同，宽度等于一个TILE所拥有的WL个数；

（d）AREA由横向的BLOCK组成，其中SRAM阵列的长度与FRAME长度相同，宽度由包含的BLOCK个数确定；

（e）TOP由所有AREA组成，是SRAM阵列顶层；

（二）可编程逻辑资源配置信息的层次化

将可配置资源的配置信息划分为4个层次，从底层向顶层分别为：SRAM层，ELEMENT层，SITE层和TILE层，其中：

(a)SRAM层

对SRAM对象建模的内容包括：名称，值；

(b)ELEMENT层

ELEMENT层描述最小功能单元模块的配置信息，建模的内容包括：名称，功能选项，以及功能选项对应的SRAM集合的值；其中，功能选项需要制定该功能是否为默认配置选项，在对FPGA的SRAM阵列进行赋值初始化时，需要根据默认配置选项来确定默认配置值；

(c)SITE层

SITE由ELEMENT层模块构成，包括可编程逻辑资源SLICE和可编程互联资源GSB两大类；

(d)TILE层

TILE由SITE层模块构成，是组成FPGA阵列的最小重复单元；在TILE层中主要描述TILE中所有SRAM对应的BL和WL，从而实现TILE层中的SRAM地址区分。