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FPGA远程动态重构系统的设计与实现

作　者: 刘博
导　师: 余隽
学　校: 大连理工大学
专　业: 物理电子学
关键词: FPGA 可重构技术 IRL设计理念 远程实时更新升级 内建自测试
分类号: TN791
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


进入21世纪,FPGA (Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)技术发展迅猛,已经在自动机器人、卫星和智能家电等应用领域发挥了关键作用。将FPGA动态重构技术和互联网技术相结合,可以使电子设备具有硬件自主修复和远程实时更新升级的能力,从而大幅提高系统的可靠性和安全性,因此基于FPGA的远程动态重构系统已成为近年来FPGA领域的一个研究热点。本文应用Mentor公司和Xilinx公司的多种软件工具,研究了基于FPGA的远程动态重构技术并完成了相关系统的设计与实现。首先根据IRL (Internet Reconfigurable Logic,互联网可重配置逻辑)设计理念设计了一种FPGA远程动态重构系统,使系统具有远程实时更新升级的能力。采用网络通信技术,远程主机端中的更新文件可以通过以太网传送到本系统中,并应用全局动态重构技术对FPGA终端系统进行重新配置。其次,为了验证上述系统方案的可行性,结合可重构技术的两个主要用途——功能转换和硬件容错,应用HDL语言设计了FPGA远程动态重构系统的密码算法和存储器内建自测试两大功能模块。将密钥固化在FPGA芯片内部的块RAM中,并应用局部动态重构技术进行DES密码算法的加解密功能转换；插入内建自测试电路检测FPGA芯片内部存储器的故障,若有故障,则应用局部动态重构技术将故障模块替换为无故障模块。最终在XUP Virtex-ⅡPro硬件平台上实现了本系统并进行了远程动态重构试验,证明了系统的可行性和优越性,整个远程动态重构过程中FPGA系统可以不断电正常工作,达到了远程实时更新升级的目的。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-12
  1.1 课题背景  8-9
  1.2 课题来源与意义  9-10
  1.3 本论文的主要工作  10
  1.4 论文的章节安排  10-12
2 FPGA可重构技术  12-24
  2.1 FPGA概述  12-15
    2.1.1 FPGA的编程工艺  12-13
    2.1.2 FPGA的基本结构  13-15
  2.2 FPGA可重构技术的分类  15-16
    2.2.1 按重构时间分类  15
    2.2.2 按重构面积分类  15-16
    2.2.3 按重构单元粒度分类  16
  2.3 IRL设计理念  16-18
    2.3.1 IRL基本概念  16-17
    2.3.2 IRL系统的基本结构  17-18
  2.4 开发工具介绍  18-21
    2.4.1 硬件开发平台  18-20
    2.4.2 软件设计工具  20-21
  2.5 远程动态重构系统的设计与实现流程  21-24
    2.5.1 顶层模块设计  22
    2.5.2 处理器子系统设计  22
    2.5.3 逻辑子模块设计  22
    2.5.4 综合实现设计并生成配置文件  22-24
3 FPGA远程动态重构系统的设计  24-44
  3.1 系统的整体框架结构  24-25
  3.2 系统的硬件设计  25-30
    3.2.1 处理器子系统结构  25-28
    3.2.2 系统的配置方式  28-30
  3.3 系统的软件设计  30-39
    3.3.1 引导加载程序设计  31-32
    3.3.2 嵌入式操作系统内核程序设计  32-34
    3.3.3 网络通信程序设计  34-38
    3.3.4 重构功能程序设计  38-39
  3.4 系统的网页界面设计  39-44
    3.4.1 网页文件设计  39-42
    3.4.2 存储器文件系统  42-44
4 FPGA远程动态重构系统的实现  44-65
  4.1 密码算法  44-51
    4.1.1 密码算法基本概念  44-45
    4.1.2 DES密码算法设计  45-49
    4.1.3 DES密码算法IP核设计  49-51
  4.2 存储器内建自测试  51-58
    4.2.1 内建自测试基本原理  52-53
    4.2.2 存储器内建自测试设计  53-56
    4.2.3 端口信号控制模块设计  56-58
  4.3 综合实现设计并生成配置文件  58-60
    4.3.1 电路模块综合  58-59
    4.3.2 PlanAhead实现  59-60
    4.3.3 配置文件的融合与转化  60
  4.4 结果与分析  60-65
    4.4.1 实验过程与现象  60-63
    4.4.2 重构时间的测量  63-65
结论  65-66
参考文献  66-69
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  69-70
致谢  70-71

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 数字电路 > 逻辑电路
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