基于PCIE（mcap）的部分可重構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案

本博文主要是對基于PCIE（mcap）的部分可重構(gòu)實(shí)現(xiàn)的步驟做一個(gè)簡單的演示，如有錯(cuò)誤之處，歡迎批評指正。值得說明的是，基于PCIE的部分可重構(gòu)需在ultrascale系列及ultrascale+芯片才能實(shí)現(xiàn)，具體哪些系列能實(shí)現(xiàn)哪種配置方式如下圖所示：

圖1

本質(zhì)上來說，無論是JTAG還是ICAP或者M(jìn)CAP以及其它FPGA的配置方式，目的都是配置FPGA的邏輯。MCAP是通過PCIE來實(shí)現(xiàn)對FPGA的燒寫，最終結(jié)果和使用JTAG進(jìn)行FPGA燒寫沒有區(qū)別，而使用PCIE對FPGA燒寫有更好的靈活性，在某些需求場合是必不可缺的，譬如在數(shù)據(jù)加速的部署，F(xiàn)PGA加速板卡是位于服務(wù)器端，在服務(wù)上線之后修改FPGA業(yè)務(wù)邏輯的話如果使用JTAG燒寫，一方面操作十分不便，可行性極低，另一方面，重新燒寫FPGA會(huì)導(dǎo)致原FPGA的PCIE設(shè)備從服務(wù)器中刪除，需要重新啟動(dòng)服務(wù)器枚舉設(shè)備（目前本人沒有找到可以進(jìn)入系統(tǒng)后重新枚舉設(shè)備的方法），對于已經(jīng)上線的服務(wù)器，在每次切換FPGA業(yè)務(wù)邏輯后重啟服務(wù)器是無法接受的，因此，使用PCIE對FPGA的部分重配置就十分必要，部分重配置能夠在保持FPGA靜態(tài)邏輯（PCIE部分和其他非業(yè)務(wù)邏輯）正常工作的情況下動(dòng)態(tài)修改某個(gè)區(qū)域的邏輯（業(yè)務(wù)邏輯）。使用這種技術(shù)能夠不重啟服務(wù)器情況下快速切換業(yè)務(wù)邏輯。

本文的實(shí)現(xiàn)基于Xilinx的VCU1525加速板卡實(shí)現(xiàn)，VCU1525的FPGA是一顆ultrascale+的VU9P，由上圖可以知道UltraScale+系列的FPGA支持MCAP配置模式。下面由一個(gè)簡單的例程實(shí)現(xiàn)MCAP部分重配置。

1.新建一個(gè)空白工程。

圖2

2.因?yàn)槭褂肕CAP的配置方式，而MCAP集成于PCIE硬核中，因此需要例化一個(gè)PCIE相關(guān)的IP，這里使用XDMA進(jìn)行本次例程（裸PCIE硬核也可以），該例程沒有XDMA進(jìn)行數(shù)據(jù)DMA搬運(yùn)的相關(guān)內(nèi)容，僅僅是借用XDMA中的MCAP功能，本人目前也有一個(gè)比較痛苦的地方，就是XDMA的上位機(jī)驅(qū)動(dòng)怎么和MCAP的驅(qū)動(dòng)整合在一起，不懂上位機(jī)驅(qū)動(dòng)開發(fā)表示很迷茫，有大佬懂這個(gè)可以探討下。

3.在Board選項(xiàng)中（在建立工程時(shí)選擇Xilinx官方板卡才有這個(gè)選項(xiàng)）選擇如下。

圖3

4.在Basic選項(xiàng)中，把圖中紅色框中的Mode設(shè)置成Advanced。

圖4

5.在Basic選項(xiàng)中，在最底部的Tandem Configuration or Partial Reconfiguration中選擇PR over PCIE。

圖5

6.在Pcie ID選項(xiàng)的Device ID中設(shè)置成8011（因?yàn)閄ilinx提供的驅(qū)動(dòng)支持8011，8038，506F）

圖6

7.其它按照默認(rèn)選項(xiàng)，生成該IP。

圖7

8.考慮到測試和實(shí)現(xiàn)的方便，使用XDMA的Example Design來修改例程，在XDMA綜合完成之后（記得選擇OOC），打開該IP的Example Design，在該工程上面做修改。

圖8

9.Example Design如下圖。

圖9

10.首先我們先修改XDC文件和工程頂層，主要是LED的管腳和電平約束。在這個(gè)例子中，我們將要實(shí)現(xiàn)使用兩個(gè)可重構(gòu)模塊，一個(gè)模塊用于控制VCU1525的LED燈亮，一個(gè)模塊用于控制VCU1525的LED燈滅，用這個(gè)簡單的例子來說明PR的實(shí)現(xiàn)步驟。

11.修改工程中的時(shí)鐘生成IP，此步驟不是必要，主要是指定輸入時(shí)鐘管腳，如果不是官方板子，在XDC里面約束即可。

圖10

12.新建兩個(gè)模塊，分別是LED_RM_0和LED_RM_1。其中LED_RM_0用于控制LED滅，LED_RM_1用于控制LED亮。兩個(gè)模塊的邏輯很簡單，只是做演示作用。代碼邏輯如下。

圖11

13.在工程頂層例化其中一個(gè)RM模塊。

圖12

14.完成上述步驟之后，選擇Tools->Enable Partial Reconfiguration...選項(xiàng)，將工程轉(zhuǎn)換成支持PR類型的工程，在后續(xù)彈出的方框中選擇Convert。

圖13

15.此時(shí)工程已經(jīng)轉(zhuǎn)換完成，對比轉(zhuǎn)換之前，在Flow Navigator的PROJECT MANAGER會(huì)多出Partial Reconfiguration Wizard選項(xiàng)。

圖14

16.設(shè)置我們要進(jìn)行部分重構(gòu)的邏輯，即LED_RM_x模塊，如下圖所示，右鍵LED_RM_0，選擇Create Partition Definition...

圖15

17.在彈出的窗口中指定一個(gè)分區(qū)的名字，這里設(shè)置為LED_RM，點(diǎn)擊OK。

圖16

18.完成上一步之后，LED_RM_0模塊變成了一個(gè)黃色的棱形標(biāo)志，如下圖所示。

圖17

19.打開Partial Reconfiguration wizard

圖18

20.在Edit Reconfiguration Modules界面中，點(diǎn)擊“+”符號，把LED_RM_1添加進(jìn)來，表明有兩個(gè)重配置模塊，添加完成后如下圖所示，屬于LED_RM分區(qū)定義列表里面有LED_RM_0和LED_RM_1兩個(gè)重配置模塊。

圖19

21.在Editing Configurations界面中，選擇automatically create configurations，并修改Configuration Name,如下圖所示。

圖20

22.在Edit Configuration Runs界面中，選擇automatically create configurations。

圖21

23.最后，點(diǎn)擊Finish，部分重配置的向?qū)гO(shè)置完成，然后點(diǎn)擊Run Synthesis綜合設(shè)計(jì)。

圖22

24.綜合完成之后打開綜合設(shè)計(jì)。

圖23

25.在Floorplanning界面，右鍵LED_RM_0，選擇Floorplanning->Draw Pblock,給RM模塊劃分重配置的區(qū)域。

圖24

26.在分配完重配置區(qū)域之后，保存相應(yīng)的約束到xdc文件中，然后做DRC檢查，檢查分配的區(qū)域是否符合要求。

圖25

27.DRC檢查沒有問題之后，點(diǎn)擊Generate Bitstream.

圖26

28.至此，部分重配置的工程就生成完畢，在生成出來的文件里面，在工程目錄下會(huì)有兩個(gè)imp的文件夾，里面會(huì)分別有靜態(tài)邏輯和各自的重配置邏輯，我們將靜態(tài)邏輯先燒寫進(jìn)去FPGA，之后就可以通過PCIE配置動(dòng)態(tài)邏輯，關(guān)于MCAP的驅(qū)動(dòng)的上位機(jī)，在Xilinx_Answer_64761__UltraScale_Devices這份文檔中有詳細(xì)的說明。

圖27

圖28

編輯：hfy