現場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）作為集成電路領域發展最快的一個分支，兼具ASIC電路的高性能和軟件編程的靈活性，在數字邏輯系統中得到了非常廣泛的應用。在主流的FPGA中，絕大多數都采用了SRAM來存放配置數據，稱為SRAM FPGA。這種FPGA的突出優點是可以進行多次配置。通過給FPGA加載不同的配置數據，即可令其實現不同的邏輯功能．FPGA這種可重配置的能力將給數字系統的設計帶來很大的方便。

FPGA的可重配置有兩種方式：靜態可重配置和動態可重配置翻。靜態可重配置系統在它的整個應用運行中不再改變FPGA的結構。一般是指在系統（或器件）上電以后，將存放在FPGA外部的非易失性存儲器（如EEPROM）中的配置數據一次性加載到FPGA內部的配置存儲器SRAM中，在系統運行期間，SRAM中的配置數據始終保持不變；當系統再次啟動時，則可以通過加載不同的配置數據來改變FPGA的邏輯功能。傳統的FPGA采用靜態配置的方法。所以在應用它的生命周期中，其功能就不能再改變。除非上電重新配置。動態可重配置系統在系統工作運行過程中改變FPGA的結構．一般指在系統運行期間，隨時可以通過對FPGA的重新配置來改變其邏輯功能。而且并不影響系統其他部分的正常運行。根據可重配置部分的大小可分為全局動態可重配置和局部動態可重配置13l。這里探討了全局動態可重配置技術，并詳細闡述使用Xilinx系統高級配置環境System ACE（System Advanced Configuration Environment）實現Virtex-5全局動態可重配置的關鍵問題。

1 System ACE技術

Xilinx提供系統高級配置環境（System ACE）是為了滿足多FPGA空間有效性、高密度，配置解決方案的需要，該配置方案僅支持FPGA而不支持CPLD和PROM。System ACE是一種全新的在系統可編程配置解決方案。合理利用此技術可以方便的實現全局動態可重配置，實現FPGA的時分復用。提高資源利用率。System ACE CF餌決方案包括System ACE控制器和普通商用的CF卡2部分。圖l所示為System ACE CF控制器框圖。System ACE控制器有4個接口，其中Compact Flash接口。MPU接口，Test JTAG接121都可以通過Configuration JTAG接口來配置FPGA。這里主要采用Compact Flash接口的多個位流配置文件來實現FPGA的重配置。Compact Flash接口兼容標準的CF卡（最大8 GB）和日立的微驅動器件（最大6 GB）。

2 實現動態可重配置的硬件設計及原理

System ACE和FPGA的JTAG連接方式如圖2所示，JTAG下載線端口連接System ACE的Test JTAG端．FPGA的JTAG端口連接System ACE的Configumtion JTAG端。使用中FPGA選擇JTAG配置模式。CF卡存放要配置的位流文件，最多可以存儲8個不同的位流配置文件．配置文件的選擇由地址線CFGADDR【2：0】決定，3位地址線可以無沖突的選擇配置8個配置文件中的一個。

當需要對FPGA重配置時．只需要調整配置地址線CFGADDR的狀態，使其指定相應的配置文件，然后拉低RESET管腳，使System ACE控制器復位，System ACE控制器就會按照新指定的配置地址重新讀取配置文件并通過Configuration

JTAG口配置FPGA。

實際應用中可以使用用戶定義邏輯的可編程邏輯器件CPLD通過重配置轉移條件來控制CFGADDR和RESET的狀態，自動地實現重配置，也可以使用外部撥碼開關，手動控制CFGADDR和RESET來實現重配置，其配置時序如圖3所示。

3 實現方法細節

3．1 配置文件和配量引導文件

使用iMPACT工具中的System ACE選項。將指定的.bit位流文件轉化為．ace配置文件，同時會自動生成Xilinx．sys配置引導文件。其中，．ace配置文件用來配置FPGA，Xilinx．sys配置引導文件用來引導System ACE尋找指定的配置文件。其內容（可根據需要自行修改）如下：

是CF卡根目錄下的文件夾名。系統會進人此文件夾查找配置文件；，??是目錄下的文件夾名，其中直接存放配置文件，且每個文件夾下只能存放1個．ace文件。

3．2 CF卡存放文件的目錄結構

根據配置文件個數的多少，CF卡內存放文件的目錄結構有以下2種：

1）當存在大于等于1個配置文件時，根目錄下存放文件夾和Xilinx．sys配置引導文件，文件

夾下存放，??文件夾。文件夾下存放各自的．ace配置文件（《

cfgX_name》文件夾也可以為空）。System ACE CF控制器根據其外部的配置地址（CFGADDR）管腳狀態選

文件夾和配置文件。

2）當只有1個配置文件時。可以直接將．ace配置文件存放在CF卡的根目錄下。不需要Xilinx．sys配置引導文件。此

模式下。系統缺省直接使用這個．ace文件配置FPGA，忽略外部的配置地址管腳狀態。

3．3 CF卡的文件和格式化要求

1）CF卡分區必須使用FATl2或FATl6格式化，System ACE CF控制器不支持FAT32文件系統。FAT12格式下分區容量最大為16 MB（最多4096個簇。每簇最大4 KB），FATl6格式下分區容量最大為2 GB（最多65 536個簇，每簇最大

32 KB）。

2）每簇的扇區個數必須大于1。每個扇區的容量為128x2N字節（DOS下N取2）。

3）System ACE CF文件必須放在CF卡第1個分區下面。

4）CF卡第1個分區的分區導入記錄必須指定為1個保留扇區。Windows 2000，Windows NT和Windows 98操作系統下格式化時缺省為1個保留扇區。但是Windows XP下格式化CF卡時會根據CF卡的密度自動生成為2~8個保留扇區。因此，Windows XP下格式化的CF卡不能直接使用，這時可以使用mkdosfs工具在Windows XP下手動輸入指定格式化的參數。

5）文件名按照FAT8.3格式規范命名。其他的文件和目錄可以和System ACE文件和目錄共存。

4 結束語

本文給出了一種利用System ACE實現FPGA全局動態可重配置的方法．并詳細討論了實現的技術細節。實驗中采用本方法實現了Virtex系列的5VFX70T器件的全局動態可重配置，方案設計合理可靠，達到預定目標。合理使用全局動態可重配置技術可以使FPGA在不同的時間段內。作為不同的硬件電路使用。并且在切換過程中，電路板不需要斷電重上電，因此不會影響除FPGA外的其他電路的正常工作。因此，與靜態可重配置相比。FPGA的動態可重配置具有更廣闊的應用前景。