2.6 Flot de conception des systèmes sur FPGA
2.6.2 La conception des systèmes partiellement reconfigurables
Dans cette section, l’évolution technologique de la reconfiguration partielle pour les FPGAs de Xilinx est présentée avant de décrire brièvement le plus récent flot de conception lié à la reconfiguration dynamique. Plus de détails sur ce flot seront présentés dans le chapitre 6 dans la partie de l’implémentation physique de notre modèle de contrôle.
2.6.2.1 Reconfiguration partielle basée-différence
Ce type de reconfiguration convient pour de petits changements. Il est basé sur la comparaison de deux designs (le design avant et après la reconfiguration). Il détermine les trames différentes et crée un bitstream partiel qui modifie seulement les trames qui sont différentes, ce qui donne un temps de reconfiguration réduit. Les modifications peuvent affecter les standards I/O, le contenu de mémoires ou la configuration des LUTs. L’inconvénient de cette méthode est que le concepteur doit manipuler des éditeurs de bas niveau tels que FPGA Editor, pour effectuer ce genre de modification, ce qui nécessite une grande connaissance de l’architecture du FPGA. Cette méthode ne convient pas pour les designs complexes qui nécessitent de plus grandes régions reconfigurables.
2.6.2.2 Reconfiguration partielle basée-module
Cette méthode permet de diviser le design en modules. Ces modules peuvent être statiques (chargés seulement lors de la mise sous tension) ou dynamiquement recon- figurables. Cette division permet aux concepteurs de travailler indépendamment sur différents modules puis de fusionner ces modules pour obtenir un système complet. La séparation permet également de modifier un module indépendamment des autres lors de la reconfiguration. Pour ceci, un bitstream initial est nécessaire pour configurer tout le FPGA, et des bitstreams partiels sont utilisés pour configurer chaque région reconfi- gurable. Pour remplacer un module reconfigurable par un autre, il faut qu’ils aient la même interface. L’inconvénient de cette méthode est qu’un module reconfigurable doit occuper toute la hauteur du FPGA, ce qui constitue une perte de ressources surtout pour les FPGAs de grande taille.
2.6.2.3 Le flot Early Access Partial Reconfiguration
En 2006, Xilinx a introduit un flot de conception qui s’appelle Early Access Partial Reconfiguration (EAPR) et qui permet d’utiliser des modules reconfigurables à 2 di- mensions. Un module reconfigurable à 2 dimensions est un module qui peut prendre une forme rectangulaire quelconque, à la différence des modules à une dimension qui occupaient toute la hauteur du FPGA avec la méthodologie modulaire de la reconfigu- ration partielle. L’EAPR permet aussi aux fils statiques de passer directement à travers les modules reconfigurables sans l’obligation d’utiliser les bus macros3, ce qui permet
d’améliorer la performance et simplifier la conception. Selon Xilinx, une région reconfi- gurable s’appelle PRR (Partial Reconfigurable Region). Une PRR peut avoir plusieurs implémentations possibles ou PRMs (Partial Reconfigurable Modules). Tous les PRMs d’une PRR ont la même interface externe pour faciliter la compatibilité. Tous les PRMs d’une PRR doivent être prédéterminés. Au début, un bitstream initial est chargé sur le FPGA. Ce bitstream contient la partie statique et les PRMs initiaux des PRRs. Ensuite,
3Pour la connexion entre un module statique et un module reconfigurable, on utilise des modules spé-
ciaux nommés bus macros [143]. Les bus macros permettent aux broches des modules reconfigurables d’être
compatibles avec la partie statique. Par conséquent, toutes les connexions entre les modules reconfigurables et la partie statique doivent passer à travers les bus macros, à l’exception des signaux globaux (signaux d’horloges, d’alimentation, etc.).
au cours d’une reconfiguration partielle, le contrôleur charge un bitstream partiel corres- pondant à un autre PRM de la même PRR. A l’aide du mécanisme Read-Modify-Write, les trames différentes entre les deux PRMs sont modifiées est réécrites dans la mémoire de configuration.
2.6.2.4 La reconfiguration partielle basée-partition (Partition-based Partial Reconfi- guration)
L’apport du nouveau flot de conception de RDP de Xilinx se voit notamment au niveau de la phase de placement du système. Dans le nouveau flot, on ne parle plus de bus macros, mais de broches de partition (Partition Pins). Ces broches sont crées automatiquement pour les ports des partitions reconfigurables, alors que les bus macros se plaçaient manuellement sur le système en utilisant l’outil de placement PlanAhead de Xilinx. Dans le nouveau flot, les termes RP (Reconfigurable Partition) et RM (Reconfi- gurable Module) ont remplacé les termes PRR et PRM d’EAPR. Dans ce mémoire, nous avons utilisé ce flot de conception de systèmes reconfigurables pour la validation du modèle de contrôle proposé. Cependant, nous utilisons les anciens termes (PRR et PRM) qui sont les plus utilisés dans les travaux traitant la RDP.
L’implémentation d’un système partiellement reconfigurable sur FPGA est similaire à l’implémentation de plusieurs systèmes statiques qui partagent des parties logiques. Les partitions sont utilisées pour s’assurer que cette partie commune est identique pour tous ces systèmes. Ce concept est illustré dans la figure 2.7 [43]. Cette figure donne l’exemple d’un système ayant une seule région reconfigurable qui a N implémentations différentes (N modules reconfigurables). Le flot de conception de ce système suit les étapes suivantes :
1) Ecriture en HDL du module TOP décrivant tout le système avec la déclaration des instances des modules statiques et d’une instance des modules reconfigurables parce qu’ils seront implémentés dans la même région reconfigurable dans l’exemple de la figure 2.7.
2) Ecriture en HDL des modules statiques et des modules reconfigurables. Ces derniers doivent avoir le même nom puisqu’ils sont représentés par un seul composant dans le fichier TOP.
3) La synthèse des fichiers HDL pour le TOP, les modules statiques et les modules reconfigurables. Ces derniers ayant le même nom, doivent être synthétisés dans des projets Xilinx séparés.
4) L’implémentation du système est lancée N fois en prenant en compte à chaque fois des contraintes statiques, et les contraintes des modules reconfigurables. En d’autres termes, à chaque fois, on lance les phases NGDBuid (Translate), MAP et PAR pour un système constitué des netlists du TOP, des modules statiques et d’un module reconfigurable, avec les contraintes statiques et les contraintes du module reconfigu- rable comme le montre la figure 2.7. Pour éviter la réexécution de l’implémentation sur les parties qui ne sont pas modifiées entre les représentations du systèmes, ces parties sont copiées à partir de la première implémentation. Cette copie est utilisée pour le reste des implémentations comme le montre la figure 2.7. Pour générer les
FIG. 2.7 – Flot de conception d’un système reconfigurable sur un FPGA de Xilinx
autres implémentations du système, il suffit de faire la fusion entre cette copie et les différentes implémentations des modules reconfigurables. Au cours de cette phase, la compatibilité entre celles-là et la copie de la partie statique est vérifiée afin de garantir le bon déroulement de la reconfiguration partielle au cours de l’exécution.
5) A partir de chaque implémentation, deux bitstreams sont générés : le bitstream total et le bitstream partiel. Au début de l’exécution du système, un bitstream total est chargé. Pour pouvoir changer la configuration de la région reconfigurable au cours de l’exécution, les bitstreams partiels seront chargés dans cette région l’un après l’autre. Pour cette raison, il faut choisir le bitstream total à charger initialement dans le FPGA, ce qui détermine la configuration initiale de la région reconfigurable. Par exemple, si on choisit de charger le bitstream Full_2.bit, la configuration de la région reconfigurable sera équivalente à un chargement du bitstream RMB.bit dans cette région.
6) Le bitstream total choisi est fusionné avec le fichier exécutable (le fichier elf) de la partie logicielle du système (si elle existe) comme on a montré dans la figure 2.6. Le fichier binaire qui en résulte peut être chargé dans le FPGA directement de l’ordina- teur en utilisant le logiciel iMPACT ou en le sauvegardant dans une mémoire externe du FPGA ou un System ACE (utilisant une Compact Flash). La mémoire externe ou le compact Flash doit donc contenir en plus de la configuration totale du système, tous les bitstreams partiels à charger durant l’exécution. Dans ce cas, à la mise sous
tension, le bitstream total et le programme du processeur (s’il existe) sont chargés dans le FPGA et l’exécution de l’application commence.