基于Zynq的动态可重构框架及方法技术

基于Zynq的动态可重构框架及方法，涉及嵌入式系统应用技术领域。本发明专利技术是为了解决现有嵌入式系统对体积和功耗有约束，硬件资源不丰富的问题。本发明专利技术以Zynq为基础，能够提供计算任务重构与I/O接口重构功能。动态区域的功能应用了局部动态可重构技术，计算任务功能和与接入设备匹配的I/O接口逻辑按需进行重配置，提高了FPGA的资源利用率。最终达到提高系统计算任务的效率、提供更多种类的I/O接口、提高系统的可扩展性的目的。

Dynamic Reconfigurable Framework and Method Based on Zynq

The dynamic reconfigurable framework and method based on Zynq involve the application technology field of embedded system. The invention aims to solve the problem that the existing embedded system has restrictions on volume and power consumption and is not rich in hardware resources. The invention is based on Zynq and can provide the functions of computing task reconfiguration and I/O interface reconfiguration. Local dynamic reconfiguration technology is applied to the function of dynamic region. The computing task function and the I/O interface logic matching the access device are reconfigured on demand, which improves the resource utilization of the FPGA. Finally, the system can improve the efficiency of computing tasks, provide more kinds of I/O interfaces, and improve the scalability of the system.

【技术实现步骤摘要】
基于Zynq的动态可重构框架及方法
本专利技术属于嵌入式系统应用

技术介绍
近年来，随着低功耗器件的发展，嵌入式系统已经成为应用和研究的热点。随着应用环境越来越复杂，人们对系统提出了更高的要求，希望系统更高效地处理计算任务、具有更灵活的硬件配置方式和外设接口。但是，嵌入式系统通常硬件资源不够丰富，且对体积和功耗有明确的约束。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有嵌入式系统对体积和功耗有约束，硬件资源不丰富的问题，现提供基于Zynq的动态可重构框架及方法。基于Zynq的动态可重构框架，包括Zynq和I/O转换板，Zynq通过PCIe总线与嵌入式系统进行数据通信，Zynq通过I/O转换板与外部设备建立连接，Zynq中包括I/O接口逻辑重构单元和计算任务重构单元，I/O接口逻辑重构单元包括以下模块：用于利用Zynq的处理器系统检测当前接入的I/O转换板类型的模块，用于通过查询I/O转换板的存储信息获得外部设备信息的模块，用于根据外部设备信息对Zynq中I/O接口的动态可重构区域进行重新配置，使得Zynq的I/O接口逻辑与外部设备相匹配，完成I/O接口逻辑重构的模块；计算任务重构单元包括以下模块：用于根据嵌入式系统的任务需要对Zynq的计算任务区域进行重新配置，完成计算任务区域逻辑重构的模块。上述I/O接口逻辑重构单元还包括用于向嵌入式系统发出准备通信通知的模块。上述I/O转换板包括存储器、转换芯片和在位信号检测模块；转换芯片用于将外部设备信息转换为适合Zynq中可编程逻辑处理的信号，位信号检测模块用于检测在位信号，所述在位信号用于判断当前是否有外部设备接入Zynq的I/O接口，存储器用于存储I/O转换板类型和外部设备信息。基于Zynq的动态可重构方法，包括I/O接口逻辑重构部分和计算任务重构部分，I/O接口逻辑重构部分包括以下步骤：将外部设备通过I/O转换板接入Zynq的I/O接口，利用Zynq的处理器系统检测当前接入的I/O转换板类型，通过查询I/O转换板的存储信息获得外部设备信息，Zynq根据外部设备信息对I/O接口的动态可重构区域进行重新配置，使得Zynq的I/O接口逻辑与外部设备相匹配，完成I/O接口逻辑重构；计算任务重构部分包括以下步骤：将Zynq通过PCIe总线与嵌入式系统建立数据通信，嵌入式系统根据任务需要对Zynq的计算任务区域进行重新配置，完成计算任务区域逻辑重构。上述I/O接口逻辑重构完成之后，Zynq向嵌入式系统发出准备通信通知。上述所述I/O转换板用于将外部设备信息转换为适合Zynq中可编程逻辑处理的信号、用于检测在位信号、用于存储I/O转换板类型和外部设备信息，在位信号用于判断当前是否有外部设备接入Zynq的I/O接口。本专利技术以Zynq为基础，结合FPGA(Field-ProgrammableGateArray，现场可编程门阵列)的动态可重构技术设计了一种基于Zynq的动态可重构框架及方法，能够提供计算任务重构与I/O接口重构功能，Zynq中的PL能够为嵌入式系统提供计算任务的FPGA硬件实现，从而加速计算任务的处理、提高系统的效率、降低整体功耗。计算任务的硬件实现能够辅助嵌入式系统进行任务处理，不仅提供计算资源，同时也减轻了嵌入式系统的负担。动态区域的功能应用了局部动态可重构技术，计算任务功能和与接入设备匹配的I/O接口逻辑按需进行重配置，提高了FPGA的资源利用率。最终达到提高系统计算任务的效率、提供更多种类的I/O接口、提高系统的可扩展性的目的。附图说明图1为具体实施方式一所述的基于Zynq的动态可重构框架的结构示意图；图2为I/O接口重构流程图；图3为I/O接口动态区域结构示意图；图4为I/O接口转换板的结构示意图；图5为I/O接口与Zynq连接结构示意图；图6为计算任务动态区域结构示意图；图7为I/O接口重构逻辑示意图；图8为具体实施方式二中I/O动态可重构接口部分的流程图；图9为数据传输流程图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式所述的基于Zynq的动态可重构框架，如图1所示，主要由内存、电源、存储卡、I/O板(即I/O转换板)以及Zynq芯片组成，Zynq通过PCIe总线与嵌入式系统进行数据通信，Zynq通过I/O转换板与外部设备建立连接。Zynq中包括I/O接口逻辑重构单元和计算任务重构单元，I/O接口逻辑重构单元包括以下模块：用于利用Zynq的处理器系统检测当前接入的I/O转换板类型的模块，用于通过查询I/O转换板的存储信息获得外部设备信息的模块，用于根据外部设备信息对Zynq中I/O接口的动态可重构区域进行重新配置，使得Zynq的I/O接口逻辑与外部设备相匹配，完成I/O接口逻辑重构的模块，用于向嵌入式系统发出准备通信通知的模块计算任务重构单元包括以下模块：用于根据嵌入式系统的任务需要对Zynq的计算任务区域进行重新配置，完成计算任务区域逻辑重构的模块。I/O转换板包括存储器、转换芯片和在位信号检测模块；转换芯片用于将外部设备信息转换为适合Zynq中可编程逻辑处理的信号，位信号检测模块用于检测在位信号，所述在位信号用于判断当前是否有外部设备接入Zynq的I/O接口，存储器用于存储I/O转换板类型和外部设备信息。其中，Zynq是Xilinx(赛灵思)公司推出的采用ARM+FPGA的异构多处理器体系结构，以ARM处理器为核心，同时具备FPGA的可编程性，具备ASIC的高性能和低功耗。Zynq芯片结构由两部分构成，一部分是处理器系统(PS，ProcessingSystem)，另一部分是可编程逻辑(PL，ProgrammableLogic)。PS部分中有ARM处理器，既能够运行linux操作系统，也可以运行无操作系统的裸机程序；PL是FPGA可编程逻辑，能够根据需要定制硬件设计。在Zynq中ARM和FPGA之间使用工业标准的高级可扩展接口(AdvancedeXtensibleInterface，AXI)连接方式，使得Zynq内部通信兼具高带宽，低延迟的特点。(1)内部互联设计。在Zynq动态可重构系统中，各个模块通过AXI互联IP核进行联系，它能够提供多个AXI主设备到多个AXI从设备的数据通信接口，在硬件平台内部，采用AXI互联IP核可以使得各个模块之间的联系更加容易，模块结构清晰，易于硬件设计和实现。各个主设备均可以通过地址访问的方式自由控制各个从设备。以AXI互联IP核进行内部模块之间的连接，最多可以支持16个主设备和16个从设备。各个设备在IP核内部均有独享的数据传输信号，所以各个主从设备在实际数据传输过程中，能够保证各个设备独享带宽。这样不仅能够确保高速的数据传输速率，也提高了各种设备之间联系的灵活性。在本文的动态可重构系统中，挂载在同一块AXI互联IP核上的各个主设备均可以控制其他的从设备。动态可重构框架中使用了AXI协议中的两种子协议，分别是AXI4接口协议和AXI4-Lite接口协议。AXI4接口协议是最高性能的数据传输协议，支持最高256位的数据传输，通常用于主设备访问内存等需要高速数据传输的应用场景。AXI4-Lite接口协议是AXI接口协议的简化版本，不支持大数据量的传输，仅适用于寄存器映射方式的单次通信，由于其较低的数据传输效率，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于Zynq的动态可重构框架，其特征在于，包括Zynq和I/O转换板，Zynq通过PCIe总线与嵌入式系统进行数据通信，Zynq通过I/O转换板与外部设备建立连接，Zynq中包括I/O接口逻辑重构单元和计算任务重构单元，I/O接口逻辑重构单元包括以下模块：用于利用Zynq的处理器系统检测当前接入的I/O转换板类型的模块，用于通过查询I/O转换板的存储信息获得外部设备信息的模块，用于根据外部设备信息对Zynq中I/O接口的动态可重构区域进行重新配置，使得Zynq的I/O接口逻辑与外部设备相匹配，完成I/O接口逻辑重构的模块；计算任务重构单元包括以下模块：用于根据嵌入式系统的任务需要对Zynq的计算任务区域进行重新配置，完成计算任务区域逻辑重构的模块。

【技术特征摘要】
1.基于Zynq的动态可重构框架，其特征在于，包括Zynq和I/O转换板，Zynq通过PCIe总线与嵌入式系统进行数据通信，Zynq通过I/O转换板与外部设备建立连接，Zynq中包括I/O接口逻辑重构单元和计算任务重构单元，I/O接口逻辑重构单元包括以下模块：用于利用Zynq的处理器系统检测当前接入的I/O转换板类型的模块，用于通过查询I/O转换板的存储信息获得外部设备信息的模块，用于根据外部设备信息对Zynq中I/O接口的动态可重构区域进行重新配置，使得Zynq的I/O接口逻辑与外部设备相匹配，完成I/O接口逻辑重构的模块；计算任务重构单元包括以下模块：用于根据嵌入式系统的任务需要对Zynq的计算任务区域进行重新配置，完成计算任务区域逻辑重构的模块。2.根据权利要求1所述的基于Zynq的动态可重构框架，其特征在于，I/O接口逻辑重构单元还包括用于向嵌入式系统发出准备通信通知的模块。3.根据权利要求1或2所述的基于Zynq的动态可重构框架，其特征在于，I/O转换板包括存储器、转换芯片和在位信号检测模块；转换芯片用于将外部设备信息转换为适合Zynq中可编程逻辑处理的信号，位信号检测模块用于检测在位信号，所述在位信号用于判断当前是否有外部设备...

【专利技术属性】
技术研发人员：张展，左德承，刘宏伟，董剑，薛利兴，冯懿，尚江卫，曹瑞，温东新，罗丹彦，舒燕君，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23