[发明专利]一种基于FPGA动态部分可重构技术的局部热点缓和系统

说明书

技术领域

本发明属于嵌入式系统领域，具体涉及一种防止现场可编程门阵列(FPGA)在运行过程中，长时间运行某一特定功能区域导致局部区域过热而引发FPGA局部区域运行异常的系统。

背景技术

现场可编程门阵列(FPGA) 具有良好的可编程特性，其不仅有专用集成电路的运行速度和可靠性，而且具有通用处理器的灵活性。因此基于FPGA的嵌入式系统具有高能效、低功耗、开发周期短等特性，且随着FPGA嵌入式系统开发成本的不断降低、FPGA集成度越来越高使其能解决更复杂的逻辑功能，在很多场合取代了ASIC产品，广泛应用于无线通信、航空航天、消费电子、工业控制、测量测试等领域。但是随着对现场可编程门阵列(FPGA)性能要求的不断提高，通过提升FPGA内逻辑器件的密度，提高其运行速度，增加运行的硬件行任，使FPGA局部温度上升更加迅速。FPGA设备温度上升会对FPGA设备产生一系列不良的影响：1）FPAG温度的升高可导致漏电功耗的急剧上升，导致FPGA功耗的升高。2）温度的上升对FPGA设备的使用寿命也有巨大的影响，减少10℃设备操作温度能延长设备2倍的使用寿命。

然而对于传统的嵌入式系统而言，其硬件平台是不能更改的，因此长时间运行嵌入式系统中的某一硬件功能模块，最终会使该硬件模块的温度不断积累上升超过FPGA设备正常运行的区域范围。持续的高温运行功能模块可导致FPGA嵌入式系统局部功能区域的损坏，导致整个系统瘫痪。尤其在复杂、恶劣的环境，比如深海区域，外太空等等，FPGA设备温度更加难以控制，并且在这样的环境中人为也难以实时检测设备的温度，或更新设备硬件。因此本文的发明应用有着重要的意义和实际使用价值。

虽然FPAG嵌入式系统可使用静态全局可重构方法，烧写不同布局布线的比特流文件，但是使用这种方法将要求整个系统停止工作且重新烧写时间长较长，这会大大降低系统的性能和灵活性，实时性更难得到保证。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提出一种基于FPGA的动态部分可重构技术的局部热点缓和系统。本发明使用动态部分可重构技术，在不打断FPGA嵌入式系统运行的情况下，通过实时操作系统实时调度温度过高区域运行任务到温度较低的可重构区域。通过使用环形振荡器实现FPGA嵌入式系统中各个模块对自身温度的检测，当发现自身任务模块运行区域温度过高时，通过中断控制模块向操作系统发送温度过高中断，操作系统即可调用其上运行的调度策略任务，寻找与温度过高区域大小相匹配的可重构区域，调度温度过高区域的可重构任务到温度较低的可重构区域，从而缓和FPGA嵌入式系统中局部温度过高问题，降低FPGA芯片功耗，提高FPGA芯片的硬件生命周期。

本发明的总体技术方案：

嵌入式系统根据实现的功能不同可分成各个功能模块，每个硬件功能模块可通过硬件描述语言编写结构体详细描述其实现逻辑，最后每个功能模块实体通过在顶层文件中声明并实例化，描述各个功能模块之间的端口连接，实现基于FPGA的嵌入式系统硬件平台的搭建。在本系统中的FPGA嵌入式系统应用了动态部分可重构功能，因此该硬件平台可分为：静态区域和动态可重构区域两部分。在硬件静态区域中包含中断控制模块，RSIC嵌入式中央处理器，内部控制接口配置模块。动态可重构区域中放置需要被调度的硬件可重构任务。在嵌入式系统硬件平台上移植实时操作系统用于控制整个嵌入式系统的运行。

所述的RSIC嵌入式中央处理器是嵌入到FPGA嵌入式系统上的硬核处理器，用于解释嵌入式系统中的指令以及处理数据。通过CoreConnect总线分别连接各个硬件功能模块，如串口模块，总线宏模块，内部控制接口配置模块。

所述的串口模块用于嵌入式系统与计算机之间的通信。

所述的总线宏模块用于连接静态区域与动态可重构区域，实现两者之间的通信。

所述的内部控制接口配置模块用于读取外部存储器中的可重构比特流文件，并使用可重构比特流文件实现硬件比特流的配置。

所述的实时操作系统是移植在RSIC嵌入式中央处理器上的操作系统，并在实时操作系统上运行温度轮询任务和调度策略任务两个软件任务。接收来自中断模块的中断信号，运行调度策略任务。

所述的温度轮询任务通过调用实时操作系统底层接口，查询在可重构模块中嵌入的环形振荡器所输出的频率，通过相应公式获得可重构模块的温度，并将每个可重构模块的温度保存在温度表中供调度策略使用。