Xilinx FPGA Partial Reconfiguration 部分重配置 詳細(xì)教程

Partial Reconfiguration（部分重配置）在現(xiàn)在的FPGA應(yīng)用中越來(lái)越常見(jiàn)，我們這次的教程以Project模式為例來(lái)說(shuō)明部分重配置的操作過(guò)程。

這里我們使用的Vivado版本是2017.2，使用的例程是Vivado自帶的wavegen工程，并在工程中增加一個(gè)計(jì)數(shù)器模塊，如下圖所示

這個(gè)模塊的代碼也很簡(jiǎn)單，就是加1計(jì)數(shù)

module count_add(

 input            clk,
 input            rst,
 output reg [7:0] res
 );

 always @ (posedge clk ) begin 
    if(rst)
        res <= 8'b0;
    else 
        res <= res + 1'b1;
 end       

endmodule

我們要把這個(gè)模塊當(dāng)做Reconfiguration Module，把它替換成另外一個(gè)module: count_sub，就是每個(gè)周期減1計(jì)數(shù)。

module count_sub(
 input            clk,
 input            rst,
 output reg [7:0] res
 );

 always @ (posedge clk ) begin 
    if(rst)
        res <= 8'b0;
    else 
        res <= res - 1'b1;
 end       

endmodule

下面開(kāi)始進(jìn)行Partial Reconfiguration的配置

1. 首先打開(kāi)工程，并將其中一個(gè)Reconfiguration Module添加到工程中即可，這里我們選擇將count_add添加到工程中，選擇Tools->Enable Partial Reconfiguration

出現(xiàn)下面的對(duì)話框，點(diǎn)擊Convert。該對(duì)話框是指如果使能了Partial Reconfiguration模式，是不能返回到普通模式的。

此時(shí)在Flow Navigator的PROJECT MANAGER下面就會(huì)出現(xiàn)Partial Reconfiguration Wizard的選項(xiàng)

2. 右鍵要reconfiguration的模塊，即inst_count，并選擇Create Partition Definition

此時(shí)，彈出對(duì)話框提示我們輸入創(chuàng)建的Partition的名字，我們起名為count_demo，點(diǎn)擊OK

這時(shí)我們可以看到該模塊的圖標(biāo)發(fā)生了變化，變成了黃色的棱形，如下圖所示

在這一步我們需要提醒一下，通常我們需要進(jìn)行PR的模塊都是比較復(fù)雜的模塊，里面很可能會(huì)包含IP Core，那樣的話我們就不能直接這樣操作，比如我們要對(duì)該工程中的clk_gen_i0模塊進(jìn)行PR，可以看到，這個(gè)模塊中包含了clk_core_i0這個(gè)IP

當(dāng)我們?cè)?code>clk_gen_i0這個(gè)模塊上右鍵選擇Create Partition Definition時(shí)，會(huì)提示下面的對(duì)話框：

module with out-of-context child module cannot be made into partition definition

這個(gè)意思是包含有ooc子模塊的模塊，是不能做成partiton的，Vivado中所有的IP Core都是ooc的模塊，因此我們需要把clk_gen_i0這個(gè)模塊導(dǎo)出成dcp后再使用，具體可以參考我的另一篇文章

Vivado中模塊封裝成edif和dcp

簡(jiǎn)單來(lái)講，就是先將這個(gè)模塊設(shè)為top，綜合后導(dǎo)出dcp，使用的tcl腳本是

write_checkpoint -noxdef <path_to_file>

有幾個(gè)需要RM(Reconfiguration Module)的模塊，就要綜合幾次，導(dǎo)出幾個(gè)dcp文件

我看網(wǎng)上也有的教程是直接對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行綜合，然后單獨(dú)導(dǎo)出RM模塊的dcp，使用下面的tcl

write_checkpoint -cell <path_to_cell> <path_to_file>

這兩種導(dǎo)出dcp的方式是有區(qū)別的，把整個(gè)工程進(jìn)行綜合，每個(gè)子模塊的接口很有可能會(huì)有所改變，可能是名字改了，也可能是增加或減少了一些接口。如果我們的幾個(gè)RM只是接口相同，功能不同的話，這樣帶有不同RM模塊的工程綜合的結(jié)果可能不一樣。因此推薦將RM模塊設(shè)為top，綜合后導(dǎo)出dcp
。

另一點(diǎn)需要注意的是，如果使用了dcp文件，我們也添加一個(gè)wrapper.v到工程中，因此dcp文件是不能直接進(jìn)行Create Partition Definition操作的。

3. 選擇左側(cè)導(dǎo)航欄的Partial Reconfiguration Wizard，開(kāi)始添加RM

這里，點(diǎn)擊+號(hào)按鈕，出現(xiàn)下面對(duì)話框，首先點(diǎn)擊Add Files，選擇count_sub.v；然后輸入Reconfiguration Module Name，由于我們只有一個(gè)模塊，因此top的name可以不填；如下圖，Next

在這一步如果我們使用dcp文件和wrapper文件的話，需要把它們都添加進(jìn)來(lái)

4. 編輯配置，點(diǎn)擊automatically create configurations，如果在這個(gè)界面沒(méi)看到這個(gè)auto…按鈕，就先返回到上一步，再next到這個(gè)界面，總會(huì)出現(xiàn)的；點(diǎn)擊后出現(xiàn)下面的界面：

我們修改配置的名字如下，next

5. 配置runs，也是先點(diǎn)擊automatically create configuration run

這個(gè)圖意思是工程中有兩個(gè)implention runs，第一個(gè)叫impl_1，這個(gè)里面跑的是包含有count_add模塊的程序；第一個(gè)叫child_0_impl_1，這個(gè)里面跑的是包含count_sub模塊的程序。Next到Finish。

6. 開(kāi)始綜合，完成后點(diǎn)擊Open Synthesized Design，并在Vivado右上角，切換到Floorplanning視圖

郵件inst_count并點(diǎn)擊Draw Pblock

選擇一個(gè)區(qū)域作為Pblock

繪制Pblock是有講究的，其中最簡(jiǎn)單的兩個(gè)規(guī)則就是：

• Pblock區(qū)域中包含的資源能可以覆蓋我們模塊需要的資源
• 不能與其他的Pblock沖突
  當(dāng)然，還有很多其他的規(guī)則，這里就不一一介紹了，如果Pblock沒(méi)畫(huà)好，很可能導(dǎo)致后面的DRC和Implementation不過(guò)。
  關(guān)于該更多Pblock的說(shuō)明，可以參考UG909手冊(cè)UG909

選中框之后，改一下框的屬性，將RESET_AFTER_RECONFIG的勾選中，意思是重新配置后，會(huì)復(fù)位這個(gè)Pblock里面的內(nèi)容；再將SNAPPING_MODE改為Routing（或者設(shè)為On），意思是如果我們的邊界選的不太好，Vivado會(huì)自動(dòng)處理，選off的話，就是完全按照我們指定的邊界。

7. 點(diǎn)擊Tools->Report->Report DRC

只選擇PR即可

如果提示No Violations Found，則說(shuō)明上面的操作過(guò)程沒(méi)有問(wèn)題。

8. Run Implementation，可以看到有兩個(gè)runs需要進(jìn)行

補(bǔ)充小知識(shí)：

貓叔：Vivado中jobs和threads的區(qū)別？選擇多個(gè)jobs能加快實(shí)現(xiàn)速度么？

9. Generate Bitstream，OK

在這一步進(jìn)行前，Vivado會(huì)自動(dòng)執(zhí)行pr_verify，并生成<impl_name>_pr_verify.log文件。

對(duì)于7系列的FPGA，會(huì)在impl_1文件夾下生成兩個(gè)bit文件：
wave_gen.bit和inst_count_count_add_partial.bit，第一個(gè)bit文件是整個(gè)工程且包含count_add模塊的bit文件，第二個(gè)bit文件是當(dāng)我們需要進(jìn)行Partial Reconfiguration的時(shí)候需要下載的bit文件；在child_0_impl_1文件夾下會(huì)生成一個(gè)bit文件inst_count_count_sub_partial.bit，是當(dāng)我們需要進(jìn)行Partial Reconfiguration的時(shí)候需要下載的bit文件。

對(duì)于UltraScale系列的FPGA，會(huì)在生成*_partial.bit的同時(shí)多出來(lái)一個(gè)*_partial_clear.bit，意思是在進(jìn)行Partial Reconfiguration的時(shí)候，先下載*_partial_clear.bit把那一部分的內(nèi)容先清空，再下載*_partial.bit進(jìn)行配置。

使用Project模式的好處就是比較簡(jiǎn)單，敲的指令也比較少，如果是Non-Project模式，在這中間還需要很多操作，雖然麻煩，但對(duì)我們理解它的工作模塊很有幫助，有興趣的同學(xué)可以再用Non-Project模式下操作一遍。

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