基于PCIE（mcap）的部分可重构实现方案

本博文主要是对基于PCIE（mcap）的部分可重构实现的步骤做一个简单的演示，如有错误之处，欢迎批评指正。值得说明的是，基于PCIE的部分可重构需在ultrascale系列及ultrascale+芯片才能实现，具体哪些系列能实现哪种配置方式如下图所示：

图1

本质上来说，无论是JTAG还是ICAP或者MCAP以及其它FPGA的配置方式，目的都是配置FPGA的逻辑。MCAP是通过PCIE来实现对FPGA的烧写，最终结果和使用JTAG进行FPGA烧写没有区别，而使用PCIE对FPGA烧写有更好的灵活性，在某些需求场合是必不可缺的，譬如在数据加速的部署，FPGA加速板卡是位于服务器端，在服务上线之后修改FPGA业务逻辑的话如果使用JTAG烧写，一方面操作十分不便，可行性极低，另一方面，重新烧写FPGA会导致原FPGA的PCIE设备从服务器中删除，需要重新启动服务器枚举设备（目前本人没有找到可以进入系统后重新枚举设备的方法），对于已经上线的服务器，在每次切换FPGA业务逻辑后重启服务器是无法接受的，因此，使用PCIE对FPGA的部分重配置就十分必要，部分重配置能够在保持FPGA静态逻辑（PCIE部分和其他非业务逻辑）正常工作的情况下动态修改某个区域的逻辑（业务逻辑）。使用这种技术能够不重启服务器情况下快速切换业务逻辑。

本文的实现基于Xilinx的VCU1525加速板卡实现，VCU1525的FPGA是一颗ultrascale+的VU9P，由上图可以知道UltraScale+系列的FPGA支持MCAP配置模式。下面由一个简单的例程实现MCAP部分重配置。

1.新建一个空白工程。

图2

2.因为使用MCAP的配置方式，而MCAP集成于PCIE硬核中，因此需要例化一个PCIE相关的IP，这里使用XDMA进行本次例程（裸PCIE硬核也可以），该例程没有XDMA进行数据DMA搬运的相关内容，仅仅是借用XDMA中的MCAP功能，本人目前也有一个比较痛苦的地方，就是XDMA的上位机驱动怎么和MCAP的驱动整合在一起，不懂上位机驱动开发表示很迷茫，有大佬懂这个可以探讨下。

3.在Board选项中（在建立工程时选择Xilinx官方板卡才有这个选项）选择如下。

图3

4.在Basic选项中，把图中红色框中的Mode设置成Advanced。

图4

5.在Basic选项中，在最底部的Tandem Configuration or Partial Reconfiguration中选择PR over PCIE。

图5

6.在Pcie ID选项的Device ID中设置成8011（因为Xilinx提供的驱动支持8011，8038，506F）

图6

7.其它按照默认选项，生成该IP。

图7

8.考虑到测试和实现的方便，使用XDMA的Example Design来修改例程，在XDMA综合完成之后（记得选择OOC），打开该IP的Example Design，在该工程上面做修改。

图8

9.Example Design如下图。

图9

10.首先我们先修改XDC文件和工程顶层，主要是LED的管脚和电平约束。在这个例子中，我们将要实现使用两个可重构模块，一个模块用于控制VCU1525的LED灯亮，一个模块用于控制VCU1525的LED灯灭，用这个简单的例子来说明PR的实现步骤。

11.修改工程中的时钟生成IP，此步骤不是必要，主要是指定输入时钟管脚，如果不是官方板子，在XDC里面约束即可。

图10

12.新建两个模块，分别是LED_RM_0和LED_RM_1。其中LED_RM_0用于控制LED灭，LED_RM_1用于控制LED亮。两个模块的逻辑很简单，只是做演示作用。代码逻辑如下。

图11

13.在工程顶层例化其中一个RM模块。

图12

14.完成上述步骤之后，选择Tools->Enable Partial Reconfiguration...选项，将工程转换成支持PR类型的工程，在后续弹出的方框中选择Convert。

图13

15.此时工程已经转换完成，对比转换之前，在Flow Navigator的PROJECT MANAGER会多出Partial Reconfiguration Wizard选项。

图14

16.设置我们要进行部分重构的逻辑，即LED_RM_x模块，如下图所示，右键LED_RM_0，选择Create Partition Definition...

图15

17.在弹出的窗口中指定一个分区的名字，这里设置为LED_RM，点击OK。

图16

18.完成上一步之后，LED_RM_0模块变成了一个黄色的棱形标志，如下图所示。

图17

19.打开Partial Reconfiguration wizard

图18

20.在Edit Reconfiguration Modules界面中，点击“+”符号，把LED_RM_1添加进来，表明有两个重配置模块，添加完成后如下图所示，属于LED_RM分区定义列表里面有LED_RM_0和LED_RM_1两个重配置模块。

图19

21.在Editing Configurations界面中，选择automatically create configurations，并修改Configuration Name,如下图所示。

图20

22.在Edit Configuration Runs界面中，选择automatically create configurations。

图21

23.最后，点击Finish，部分重配置的向导设置完成，然后点击Run Synthesis综合设计。

图22

24.综合完成之后打开综合设计。

图23

25.在Floorplanning界面，右键LED_RM_0，选择Floorplanning->Draw Pblock,给RM模块划分重配置的区域。

图24

26.在分配完重配置区域之后，保存相应的约束到xdc文件中，然后做DRC检查，检查分配的区域是否符合要求。

图25

27.DRC检查没有问题之后，点击Generate Bitstream.

图26

28.至此，部分重配置的工程就生成完毕，在生成出来的文件里面，在工程目录下会有两个imp的文件夹，里面会分别有静态逻辑和各自的重配置逻辑，我们将静态逻辑先烧写进去FPGA，之后就可以通过PCIE配置动态逻辑，关于MCAP的驱动的上位机，在Xilinx_Answer_64761__UltraScale_Devices这份文档中有详细的说明。

图27

图28

编辑：hfy