【干货】编辑Xilinx FPGA内LUT内容的详细方案

研究背景及基础知识

FPGA是实现高性能计算与网络的重要工具，得益于其高度的并行性与用户可编程的特性，FPGA得到了越来越广泛的应用。FPGA由CLB（Configurable Logic Block，可编程逻辑单元）、BRAM（Block RAM，块RAM）、DSP48E1（专用数字处理单元）、可编程布线资源、可编程IO资源等部分组成，其中，CLB是实现逻辑功能的基础，Xilinx 7系列FPGA CLB内部结构如图1.1所示[1]。

 

 

从图1.1中我们可以看到，一个CLB由两个SLICE组成，而SLICE可以分为SLICEL和SLICEM，SLICEL仅可以实现逻辑功能，而SLICEM除了可以实现逻辑功能外，还可以实现位宽为1bit、深度为64bit的RAM， SLICEL和SLICEM的结构如图1.2和图1.3所示[1]，SLICEL和SLICEM都是由4个6输入LUT（Look up table，查找表）、3个MUX（数据选择器）、1个Carry Chain（进位链）和8个Flip-Flop（触发器）组成，其中，LUT本质是一块6地址输入1数据输出的存储器（不考虑5输入LUT的情况），通过改变其内容，可以得到各种各样的真值表，也就得到了各种各样的逻辑功能，这是FPGA可编程性的基础之一。

 

 
 

 

比图1.2和图1.3可以发现，SLICEL的4个LUT，只有6bit地址输入和1bit数据输出（不考虑5输入LUT的情况），当bitstream文件配置下去后，用户是无法对LUT内容进行更改的，可以将之看作是一块ROM；而SLICEM除6bit读地址输入和1bit数据输出外，还有6bit的写地址输入（图1.2中W6:W1）和1bit的写数据使能（图1.2中WEN），2bit的写数据输入（DI1和DI2），这也是SLICEM的LUT可以被配置为位宽为1bit、深度为64bit的RAM的原因。

研究目的

在7系列FPGA中，将近2/3的SLICE是SLICEL，其余的是SLICEM[1]，也就是说，FPGA内2/3的资源在bitstream文件下载后，其逻辑功能就无法更改了，除非修改代码并生成新的bitstream文件。这给可重构计算、基于LUT的高带宽查找算法等研究带来了很大的困扰：这些研究希望在设备运行时对LUT的内容进行动态修改，而只有SLICEM的LUT存在写数据接口，也就是这些研究中的算法只能利用1/3的LUT资源。

作者在研究基于FPGA的高性能可重构CRC算法时，就遇到了上述问题，可编程CRC的关键计算模块由LUT实现，而为了实现CRC生成式的可编程，必须要使用SLLICEM的LUT，导致时序不理想，且需要额外使用复杂的配置电路。

作者收到启发，发现使用Xilinx 提供的HWICAP IP核即可实现对SLICEL的LUT的动态编程，无需Vivado软件参与 ，即可实现ms乃至us级别的重配置速度[2][3]，该方案是基于FPGA实现高性能可重构CRC的理想选择。

然而，网上关于该研究的资料是十分稀缺的；Xilinx官方提供的内容也十分分散且有限，部分内容还被有意地忽略了；学术界的论文大多集中在如何设计高性能的ICAP控制器，以取代性能较低的HWICAP控制器。到目前为止，还无法找到关于如何使用HWICAP，实现单个LUT的内容重配置的内容。作者经过1个多月的摸索，基本打通了单个LUT重配置的各个环节，最终基于Artix-7 FPGA开发板，搭建了一套演示环境，实现了单个LUT内容的读取与重配置，该项研究的各项内容如下所述：

第二节介绍LUT的寻址与配置方式，只有知道LUT如何寻址，才能对特定位置的LUT进行重配置；第三节介绍LUT的信息提取，包括LUT位置提取与LUT引脚映射关系提取；第四节对rbt文件进行解析（仅限于LUT内容部分），只有了解LUT初始值是如何映射到rbt文件中，才能利用HWICAP实现LUT内容的正确配置；第五节介绍HWICAP的具体操作，包括HWICAPIP核的操作与ICAP的操作命令；第六节搭建了验证系统，基于Artix-7FPGA开发板，在Vivado环境下，使用TCL命令，实现单个LUT的重配置;第七节对上述工作进行总结，指出后面的工作方向。

LUT寻址与配置方式

一、FPGA的基本结构

想要对LUT进行寻址，必须要知道LUT在FPGA中的组织方式，也就是知道FPGA的结构，需要说明的是，Xilinx 7系列FPGA与其前代产品相比，组成出现了较大的变化，在这里介绍Virtex-5 FPGA与Artix-7 FPGA的具体结构。

Virtex-5系列FPGA和Artix-7系列FPGA都是基于ASMBL（AdvancedSilicon Modular Block）架构的(但是Virtex-5基于二代ASMBL技术，Artix-7基于四代ASMBL技术) ，这里以7系列FPGA为例，对ASMBL架构进行简单介绍。

 

  图1.1 ASMBL架构

7系列FPGA ASMBL架构如图1.1所示，该架构的关键在于，资源按列排布，同一列的资源是相同的，通过组合不同的列，可以得到面向各种应用、满足各种功能的FPGA，该架构的模块化思想，大大简化了FPGA的设计。我们来看一张真实的FPGA的内部结构图（器件型号为XC7A100T 该图通过Vivado软件得到），如图1.2所示，该FPGA分为8个区域（8个Clock Region），图中大量的淡蓝色非规则部分，是已经被占用的模块，我们选择比较“干净”的X0Y3区域进行介绍；

 

  图1.2 XC7A100T内部结构
 

  图1.3 X0Y3区域结构

X0Y3区域放大后的图片如图1.3所示，图中最左侧橘色部分为IO接口，蓝色部分为CLB，红色部分为BRAM资源（RAM36E1），绿色部分为DSP资源（DSP48E1），这样的资源组织方式与前面说的ASMBL架构是完全吻合的。我们再次将图2中的蓝色方块放大，如图1.4所示，可以看到，每个蓝色方块内部，都由2个SLICE组成。

 

  图1.4 CLB内部结构

作者肉眼数了一下，一列蓝色方块中，蓝色方块的数量是50个，也就是一列CLB中包含50个CLB（这个知识后面要用到）；一列红色方块中，红色方块的数量是10个，也就是一列BRAM中包含10个RAM36E1；一列绿色方块中，红色方块的数量是20个，也就是一列DSP中包含20个DSP48E1；

 

  图1.5 FPGA中间部位的BUFG

需要特别注意的是，在FPGA的中间部分，是一组BUFG，如图1.5所示（图1.2放大，观察FPGA正中央），在BUFG的上方，是FPGA的上半部分（top），FPGA的下方是下半部分（bottom），这个知识后面会用到，可能有人会有疑问，图1.2结构如此对称，上半部分和下半部分不是一目了然的么？但是我们需要知道，不是所有的FPGA都是四行两列八个ClockRegion的，如图1.6（芯片型号为XC7Z020），为三行了两列六个Clock Region，这时只能通过观察BUFG的位置（图1.6中白框所在位置），判断哪几行是top部分，哪几行是bottom部分。

 

  图1.6 XC7Z020内部结构
 

  图1.7 XC5VLX110T所示

再来看一下Virtex-5FPGA的内部结构，如图1.7所示，可以看到，Virtex-5FPGA的结构与7系列FPGA很相似，都是模块化的、按列排布的；我们重点关注一下CLB方面的区别，对比图1.3和图1.7可以发现，7系列FPGA一列CLB包含CLB的个数为50个，而Virtex-5FPGA一列CLB包含CLB的个数为20个，这种差别在后期介绍LUT寻址时会体现出来。

二、FPGA配置帧格式与寻址格式

FPGA配置数据的最小单位是帧，下面先以Virtex-5为例，介绍配置帧的格式与寻址方式；然后介绍7系列FPGA与Virtex-5在配置帧格式与寻址方式方面的区别。

1. Virtex-5 FPGA配置帧格式与寻址格式

Virtex-5配置帧格式如图1.8所示，图中共有36个帧，每个帧包含41个word，每个word由32bit组成，图中“X odd”部分代表一个CLB中编号为奇数的SLICE，而“X even”代表编号为偶数的SLICE，也就是“X odd”代表图1.4中右侧的SLICE，“X odd”代表图1.4中左侧的SLICE；Frame26-Frame29和Frame32-Frame35已经可以用来配置一个CLB内的8个LUT了，为什么配置一个CLB需要36个帧呢？因为除了需要配置LUT外，还需要配置触发器、连接线等其他的部分，因为我们仅需要研究LUT内容是如何重配置的，因此我们不对这些内容进行研究；另外，想要配置一个LUT，使用1个帧是搞不定的，因为1个帧只能配置1个LUT的2个字节（6输入LUT初始值为64bit，也就是8字节），需要4个帧才能配置一个LUT，但是，一个帧又同时涉及到了20个LUT的配置信息，也就是一个帧会对一列SLICE中的LUT进行配置（前面提到过，Virtex-5一列CLB中，CLB数量是20），这也是为什么要使用RMW（read-modify-write）的思想，也就是想配置1个LUT，需要先把这个LUT对应的4个帧读出来，修改该LUT对应的内容后，再将这4个帧写回去，这样才能保证其他的LUT不受影响。

 

  图1.8 Virtex-5配置帧格式

细心的读者可以发现，图1.8中一个配置帧包含41个word，而一列SLICE包含20个SLICE，2个word可以配置一个SLICE的4个LUT，怎么多出了一个word？答案在图1.9中可以找到，一个配置帧的前20个word和后20个word都是用于配置LUT的，而中间的LUT用于其它功能，更多信息可以参考Xilinx官方文档：UG191。

 

  图1.9 一个配置帧的具体格式
 

  图1.10 Virtex-5 FPGA配置帧寻址格式

Virtex-5 FPGA配置帧的寻址格式如图1.10所示，Virtex-5系列FPGA配置帧的地址由24bit组成，其中，bit23-bit21作用是指示配置对象的类型，如取值为000代表对CLB进行配置；bit20作用是指示配置的对象在FPGA的上半部分还是下半部分（相关内容参考图1.5及图1.6）；bit19-bit15是选择行的，如图1.2所示，该FPGA有4行，但是其编址方式是不是从上到下为0、1、2、3呢？

 

  图1.11 行编址

当然不是的，其编址方式如图1.11所示，上半部分（top）和下半部分（bottom）是分开编址的，接近中间的行，地址为1，远离中间的行，地址依次加1，举个例子，图2.2中X0Y2、X1Y2、X0Y3、X1Y3位于上半部分，X0Y2、X1Y2行地址为0，X0Y3、X1Y3行地址为1；图2.2中X0Y0、X1Y0、X0Y1、X1Y1位于上半部分，X0Y1、X1Y1行地址为0，X0Y0、X1Y0行地址为1；bit14-bit7是列地址，需要注意的是，列地址是不分clock region的，比如图2.2中X0Y2、X0Y3的第一列，地址是相同的，另外，CLB、BRAM、DSP等列是统一编址的，列地址可以利用Viavdo软件，通过TCL命令提取出来；bit6-bit0是选择具体某一帧的地址，由图1.8可知，配置1个CLB（或者说配置一列CLB），需要36个帧，但是在对LUT重配置的时候，并不是所有帧都要重新进行RMW操作，只需要对与该LUT相关的四个帧进行RMW操作即可，对36个帧中某一具体的帧进行寻址，就需要用到minor address了。

2.7系列FPGA配置帧格式与寻址格式

7系列FPGA配置帧格式与图1.8基本类似，但是由于7系列FPGA一列CLB由50个CLB组成（而Virtex-5为20个），因此一个7系列FPGA配置帧包含101个word；

7系列FPGA的配置帧的寻址格式如图1.12所示，7系列FPGA的配置帧地址由26bit组成，与图1.10比较之后，可以发现，7系列FPGA 列地址为10个bit，而Virtex-5FPGA列地址为8bit，这是由于FPGA规模变大所致；地址其他部分基本没有发生变化。

 

  图1.12 7系列FPGA的配置帧格式

rbt文件解析

rbt文件和bit文件一样，都是FPGA的配置文件，bit文件是二进制的，观察起来是很不方便的，然而rbt文件相当于bit文件的ASCII版本因而我们选择rbt文件作为我们解析的对象。

一、做rbt文件解析的原因

为什么要做rbt文件解析？因为上节讲述配置帧格式的研究中，还存在一个不清楚的地方：图1.8中半个word可以配置1个LUT的1/4，那这半个word的bit顺序，与Verilog代码中LUT初始值的bit顺序，是否是一致的？是否存在某种映射关系？为了探索这一点，我首先想到的是对rbt文件进行解析，具体来说，建立一个工程，对一个LUT进行初始化，生成bit文件后，观察rbt文件中相应的初始化值是怎样的。后来发现，进行这项研究是十分必要的，研究结果表明，LUT的初始化值与rbt文件中对应的内容，并不是相等的，二者存在特定的映射关系， 且SLICEL和SLICEM中的LUT，映射关系是不一样的。

下面对研究过程进行介绍。

 

  图2.1 各种FPGA配置文件格式

二、准备工作

rbt文件中的配置数据是二进制格式的，观察十分不方便，因此第一项准备工作就是将二进制的rbt文件转换为十六进制，这项工作是通过一个python脚本实现的（位置：代码/rbt_translation.py），如图2.2所示，因为作者此前没有写过python脚本，因此代码很不完善，下面结合代码说明需要注意的地方：

（1）rbt文件的前7行是rbt文件的介绍信息，如图2.3所示，在用脚本转换进制之前，这7行需要手动去掉（作者python水平太低）；

（2）图2.2第一行的NUM值为956447，这是rbt文件去除前7行后的行数；需要注意的是，本工程针对的FPGA型号是XC7A100T，每个型号的FPGA规模不同，NUM的值也要相应变化；

（3）图2.2第三、四行为原始rbt文件的路径（后缀改为txt）与转换后文件的路径，这个路径是绝对路径，需要根据实际情况进行修改。

 

  图2.2 rbt进制转换代码
 

  图2.3 rbt文件介绍信息

在UG470中，专门有一部分介绍bitstream的组成，这部分需要重点了解，详细内容见UG470的table 5-19。

三、具体流程

首先建立一个工程，在工程中例化一个LUT，这个LUT的位置必须是固定的，方便进行多次对照试验，如图3.4所示，例化LUT的位置为SLICE_X57Y53的LUT-D，如图2.4所示，为了简单起见，该LUT的初始值设置为“0x6996966996696996”，为什么设置成这个值呢？因为LUT初始值为该值时，作用为一个六输入一输出异或门，而异或门是CRC算法中的基本单元。

综合工程（工程在：工程/jtag_axi_icap_lut_AX7103_simple_lut_6996文件夹下），生成rbt文件后，将rbt文件转成十六进制（见上述准备工作），结果如表2.1所示：

表2.1 rbt文件对应行数和值-1

rbt文件行数	rbt文件值
510521	0x69960000
510622	0x 96690000
510723	0x 69960000
510824	0x 96690000

 

  图2.4 LUT初始化-1

观察表2.1可以发现，rbt文件对应值的行数，总是差了101个word，与之前描述的配置帧格式是可以对应上的。那是不是可以说Verilog代码中LUT初始值的bit顺序（图2.4）和rbt中的bit顺序，是一致的呢？还不能这么说，因为“6”的二进制表示是“0110”，9的二进制表示为“1001”，可以发现这两个值都是十分对称的值。

为了进一步验证是否存在某种bit顺序映射关系，建立新的工程。LUT位置不变，但初始化值设置为“0x0123456789ABCDEF”，如图2.5所示，综合工程（工程在：工程/jtag_axi_icap_lut_AX7103_simple_lut_0123文件夹下），生成rbt文件后，将rbt文件转成十六进制（上述操作），结果如表2.2所示：

表3.2 rbt文件对应行数和值-2

rbt文件行数	rbt文件值
510521	0x fe760000
510622	0x ba320000
510723	0x 98100000
510824	0x dc540000

 

  图2.5 LUT初始化-2

可以发现，rbt文件值与LUT初始化值完全不一样，可以证明，确实存在某种特殊的映射关系。如何确定这种映射关系呢？最简单的是，建立多个工程，每个工程初始化值只有1bit（如0x0000000000000001、0x0000000000000002、0x0000000000000004、0x0000000000000008等），观察生成rbt文件中对应值的位置，理论上需要建立64个工程才能完全确定这个关系（但其实存在规律，不用这么多），成功破译了其对应关系，测试原始数据如表2.3所示（为了简单起见，将1个LUT的4部分数据写到一起，作为一个完整的word,“X”代表0x0000）：

表2.3 测试原始数据-1

LUT初始值	rbt数据
0x  X_X_X_0001	0x  8000_X_X_X
0x X_X_X_0002	0x X_8000_X_X
0x X_X_X_0004	0x 4000_X_X_X
0x X_X_X_0008	0x X_4000_X_X
0x X_X_X_0010	0x 2000_X_X_X
0x X_X_X_0020	0x X_2000_X_X
0x X_X_X_0040	0x 1000_X_X_X
0x X_X_X_0080	0x X_1000_X_X
0x X_X_X_0100	0x X_X_X_8000
0x X_X_X_0200	0x X_X_8000_X
0x X_X_X_0400	0x X_X_X_4000
0x X_X_X_0800	0x X_X_4000_X
0x X_X_X_1000	0x X_X_X_2000
0x X_X_X_2000	0x X_X_2000_X
0x X_X_X_4000	0x X_X_X_1000
0x X_X_X_8000	0x X_X_1000_X
0x 0100_X_X_X	0x X_X_X_0008
0x  0200_X_X_X	0x X_X_0008_X
0x  X_0100_X_X	0x  X_X_X_0080
0x  X_0200_X_X	0x  X_X_0080_X
0x  X_X_0100_X	0x  X_X_X_0800
0x  X_X_0200_X	0x  X_X_0800_X
0x  0001_X_X_X	0x  0008_X_X_X
0x  0002_X_X_X	0x  X_0008_X_X
0x  X_0001_X_X	0x  0080_X_X_X
0x  X_0002_X_X	0x  X_0080_X_X
0x  X_X_0001_X	0x  0800_X_X_X
0x  X_X_0002_X	0x  X_0800_X_X

将64bit初始值的最高位（MSB）定义为bit-64，最低位（LSB）定义为bit-1，则LUT初始值与rbt文件的位置映射关系如表2.4所示：

LUT初始值	rbt数据
1	64
2	48
3	63
4	47
5	62
6	46
7	61
8	45
9	16
10	32
11	15
12	31
13	14
14	30
15	13
16	29
57	4
58	20
41	8
42	24
25	12
26	28
49	52
50	36
33	56
34	40
17	60
18	44

观察规律后，将该映射规律用python代码（文件位置：代码/map_SliceL.py）表示出来，如图2.6所示，

 

  图2.6 对应python代码

后来又发现，SLICEL和SLICEM的LUT，从verilog代码初始值到rbt文件值的映射关系还是不一样的，上面是SLICEL的映射关系，SLICEM（位置是SLICE_X56Y53）的测试数据、映射关系、python代码分别如表2.5、表2.6、图2.7所示,表2.6中红色字体，代表这几组数据是推测得来的（后来证实推测正确）。

表2.5 测试原始数据-1

LUT初始值	rbt数据
0x  X_X_X_0001	0x  X_X_8000_X
0x X_X_X_0002	0x  X_X_X_8000
0x X_X_X_0004	0x  X_X_4000_X
0x X_X_X_0008	0x  X_X_X_4000
0x X_X_X_0010	0x  X_X_2000_X
0x X_X_X_0020	0x  X_X_X_2000
0x X_X_X_0040	0x  X_X_1000_X
0x X_X_X_0080	0x  X_X_X_1000
0x X_X_X_0100	0x  8000_X_X_X
0x X_X_X_0200	0x  X_8000_X_X
0x 0100_X_X_X	0x  0008_X_X_X
0x  0200_X_X_X	0x  X_0008_X_X
0x  X_0100_X_X	0x  0080_X_X_X
0x  X_0200_X_X	0x X_0080_X_X
0x  X_X_0100_X	0x 0800_X_X_X
0x  X_X_0200_X	0x X_0800_X_X
0x  0001_X_X_X	0x  X_X_0008_X
0x  0002_X_X_X	0x  X_X_X_0008
0x  X_0001_X_X	0x  X_X_0080_X
0x  X_0002_X_X	0x  X_X_X_0080
0x  X_X_0001_X	0x  X_X_0800_X
0x  X_X_0002_X	0x  X_X_X_0800

表2.6 映射关系-1

LUT初始值	rbt数据
1	32
2	16
3	31
4	15
5	30
6	14
7	29
8	13
9	64
10	48
11	63
12	47
13	62
14	46
15	61
16	45
57	52
58	36
41	56
42	40
25	60
26	44
49	20
50	4
33	24
34	8
17	28
18	12

 

  图2.7 对应python代码

上述关系推导出来之后，还是得不到表2.2的结果，理论上，初始化值映射后，结果应如表2.7所示，经过多次探索尝试后，发现原因：Verilog代码中例化的LUT与FPGA上LUT的管脚的映射关系是不同的，通过一个例子说明，如图2.8所示，Verilog代码例化的LUT，初始化值“0x0123456789ABCDEF”，对应的6位地址是I5-I0，但实际FPGA内部的LUT如图2.9所示，对应的地址是A6-A1。

表2.7 rbt文件对应行数和值-3

rbt文件行数	rbt文件值
510521	0x d8d80000
510622	0x ffaa0000
510723	0x 55000000
510824	0x d8d80000

 

  图2.8 Verilog代码例化的LUT
 

  图2.9 FPGA内实际的LUT

而Verilog代码例化的LUT与实际的LUT，地址引脚的对应关系如图2.10所示，二者又存在一种映射关系，发生这种情况的原因是，综合工具Vivado会综合考虑各种情况，选择最优的布线，为了达到这种最优，允许一个LUT的地址线进行某种翻转。

 

  图2.10 引脚对应关系

为了支持上述的翻转，作者写了一个简单的python脚本（目录：代码/lut_pin_map.py），如图3.11所示，假如数据m是Verilog代码中的LUT初始化值，则n是映射到实际FPGA中的LUT初始化值。

 

  图2.11 LUT引脚映射代码

四、总结

从Verilog代码中的LUT初始值到rbt文件中的LUT初始值，遵循的流程如图2.12所示，经过两次转换后，Verilog代码中的LUT初始值可以转换为rbt文件中的LUT初始值。

 

  图2.12 LUT初始化值转换流程

LUT信息提取

我们如何知道待配置的LUT，其位置是多少？代码中的LUT与实际的LUT引脚映射关系是怎样的？当然可以通过Verilog代码中的位置约束（如BEL="D6LUT",LOC="SLICE_X57Y53"）和xdc文件中的引脚锁定约束（如set_property LOCK_PINS {I0:A1 I1:A2 I2:A3 I3:A4 I4:A5 I5:A6}[get_cells u_xor_lut/LUT6_inst_D_right]），在生成rbt文件之前，人为地分配好一切，但是，这样做可能会导致设计性能下降，因为Vivado的综合实现算法，是Xilinx公司多年研究的成果，可以认为其是最优的。因此，作者不建议通过添加位置约束和LUT引脚锁定约束的方式，确定待配置LUT的信息，而是生成rbt文件之后，通过Vivado软件和TCL命令，将LUT的位置信息和引脚约束信息提取出来。

 

  图1.1 Verilog代码中的LUT例化

以图1.1中例化的LUT为例，生成rbt文件后，

LUT位置信息提取命令是：

get_tiles-of_objects [get_property SITE [get_cells -hierarchical"*LUT6_inst_D_right*" ]]

得到的结果是：CLBLM_L_X34Y53

上述结果给出的是LUT所在CLB的位置，其中X的值（34）就是前文的图1.12中的columnaddress，可以通过Y的地址，换算前文图1.12中的top/bottom address和row address。

LUT引脚映射关系提取命令是：
get_bel_pins-of_objects [get_pins -hierarchical "*LUT6_inst_D_right*"]

得到的结果是：

SLICE_X57Y53/D6LUT/O6
SLICE_X57Y53/D6LUT/A1
SLICE_X57Y53/D6LUT/A2
SLICE_X57Y53/D6LUT/A3
SLICE_X57Y53/D6LUT/A4
SLICE_X57Y53/D6LUT/A5
SLICE_X57Y53/D6LUT/A6

上述结果与前文图2.10中的映射关系是一致的。

HWICAP操作方法

前面的工作解决了配置帧寻址与配置帧内容怎么写的问题，下面要开始介绍ICAP原语和HWICAP IP核。ICAP原语是Xilinx公司开放给用户的FPGA内部配置接口，如图2.1所示，使用ICAP原语，需要写一个控制器，处理接口时序的问题，Xilinx提供了这个控制器，就是HWICAP IP核，如图2.2所示，这个IP核对外呈现AXI4-LiteSlave接口，使用者可以通过该接口，间接地操纵ICAP原语。

 

  图1.1 ICAP原语
 

  图2.2 HWICAP IP核

一、ICAP操作方法

ICAP操作方法主要参考UG953与UG470，尤其是UG470，第五节Configuration Details介绍了大量有用信息，需要重点关注的有：

（1）BitstreamComposition小节，介绍了bit文件/rbt文件的组成形式，可以从中看出一些配置流程相关的信息；

（2）ConfigurationMemory Frames 小节，与前文第一节介绍的帧格式是对应的；

（3）ConfigurationPackets小节，介绍了ConfigurationPackets的细节，上面说的ConfigurationMemory Frames主要是用于传输配置内容（如LUT的初始化值），而Configuration Packets主要用于传输一些配置相关的指令，如读写配置寄存器。ConfigurationPackets分为两种，即Type 1packet和Type 2 packet，Type 2报文必须跟在Type 1报文后面，个人认为Type 2报文的作用是对Type 1 报文进行补充，因为Type 1 报文word count字段仅有11bit，只支持2048个word传输，而Type 2报文word count字段有27bit，支持134217728个word，具体内容请参考UG470 Table 5-20、Table 5-21、Table 5-22；

（4）ConfigurationRegisters小节，配置相关寄存器，如图2.3所示，详细内容请参考UG470 ConfigurationRegisters小节。

 

  图2.3 配置寄存器

从图2.2可知，HWICAP IP核仅支持AXI4-Lite接口，也就是我们操作HWICAP IP核的时候，其实是在配置寄存器，那么该IP核有哪些寄存器呢？如图2.4所示。

 

  图2.4 HWICAP IP核的寄存器

下面重点介绍几个用到的寄存器。我们先分析一下我们将配置帧传输进去，需要哪些操作。

写配置帧：（1）将帧写入FIFO（2）写完后开始配置。

上面第一步，将帧写入FIFO，对应的是WriteFIFO Keyhole Register（keyhole就是钥匙孔，可以说十分形象了），寄存器格式如图2.5所示；第二步，开始配置，对应的寄存器是Control Register，该寄存器可以控制读，也可以控制写，寄存器格式如图2.6所示。

 

  图2.5 Write FIFO Keyhole Register
 

  图2.6 Control Register

读配置帧：（1）告诉IP核读几帧（2）开始读。

第一步对应的寄存器是Size Register，定义如图2.7所示，第二步对应的还是ControlRegister，如图5.6所示。

 

  图2.7 Size Register

其他的寄存器也有各自的用处，建议读者参考PG134，进一步了解。

验证系统

前面做的大量调研与学习，目的是为了能够做到对单个LUT的在线读和写，如何证明我们前面做的工作是正确的呢？答案是建立一个验证系统，在实际的FPGA系统中，将FPGA内部某个特定的LUT内容在线读出来，然后在线将某些内容写进去，如果可以成功做到这一点，可以说研究工作基本成功了。下面我们来介绍验证系统搭建的详细流程。

一、开发板与连接拓补

开发板连接拓扑如图3.1所示，FPGA开发板型号为黑金AX7103，如图3.2所示，读者也可以用其他Xilinx FPGA板卡搭建验证系统（前文的知识适用于所有的7系列FPGA），但是Zynq系列暂时还无法调通，应该是作者忽略了些什么；PC与FPGA通过JTAG连接，PC上运行Vivado软件，在Vivado TCL Console中输入TCL命令，可以做到PC与FPGA的交互。

图3.1 验证环境拓扑
 

  图3.2 FPGA开发板

二、FPGA内部模块设计

FPGA内部模块设计如图3.3所示（工程位置：工程/jtag_axi_icap_lut_AX7103_0123），JTAG2AXI IP核和HWICAP IP核负责实现接收PC的控制指令，实现对LUT内容的读写；目标LUT是被读写的对象，其Verilog例化如图3.4所示。

读LUT内容怎么验证？

答案：在PC的Vivado软件TCL Console内，写TCL命令，读取目标LUT内容，读取内容与rbt文件的相应位置比对（参见前文表2.7，为了简单起见，我们采用set_property LOCK_PINS{I0:A1 I1:A2 I2:A3 I3:A4 I4:A5 I5:A6} [get_cells u_xor_lut/LUT6_inst_D_right]命令，保证代码例化LUT与真实LUT管脚一一对应，避免出现图2.10的情况）。

写LUT内容怎么验证？

答案：在PC的Vivado软件TCL Console内，写TCL命令，配置目标LUT内容，配置完成后，观察ILA。在配置之前，目标LUT初始值是0x0123456789ABCDEF，计数器产生递减的地址，因此可以用ILA观察到变化的数据；配置内容为全0，配置完成后，ILA观察到的内容为全0，证明配置成功。

 

  图3.3 FPGA内部模块设计
 

  图3.4 LUT例化

三、如何编写TCL代码

学习TCL本身的语法，需要参考Xilinx官方文档，UG835、UG894，熟悉TCL基本操作，另外，Xilinx高级SAE高亚军老师的TCL系列教程写的也很好；
学习第5节HWICAP和ICAP的具体操作方法，可以参考Xilinx给的HWICAP官方驱动（其中的example和src部分让作者受益匪浅），作者也给出了读写LUT需要的TCL代码（位置：代码/读LUT-TCL指令 和代码/写LUT-TCL指令），作者写的这些代码大量参考了Xilinx给的驱动（可以从作者代码的注释中看出来），另外一定要注意，TCL文件里面的路径是绝对路径，要修改成自己电脑上的路径。

四、验证结果

读LUT内容：

下载工程“jtag_axi_icap_lut_AX7103_0123”的bit程序（记得通过VIO复位，复位是低电平复位），运行“read_frame_510521.tcl”文件，该文件读取LUT的1/4的内容，对应rbt文件的510521行（见前文表2.7），读出的结果如图3.5所示（如果读出的结果不能完全显示出来，使用“set_param messaging.defaultLimit 5000”命令，修改TCLConsole显示的消息数量限制），可以发现是对应的（其他三行的读操作可以运行同目录下的其他TCL文件，结果都是正确的）。

 

  图3.5 读结果

写LUT内容

仍然是同样的bit文件，在配置LUT内容之前，ILA可以看到的数据如图3.6所示，从上到下的三个信号，分别是LUT的输入（地址），LUT的输出，与LUT输出的并行化（LUT输出不方便观察，并行化之后，方便观察LUT初始值）；在Vivado TCL Console行“source_write_all.tcl”文件后（记得改地址！！！），LUT的内容被重置为全0，如图3.8所示，配置成功。

 

  图3.6 配置前的LUT输出
 

  图3.8 配置全0后LUT的输出

验证系统

获得的成果：

基本打通了单个LUT动态读写的流程，包括LUT寻址、LUT配置帧格式、rbt文件解析（对照用）、LUT信息提取、LUT配置方法（HWICAP和ICAP操作）、演示验证系统搭建。

后期还需要做的工作：

（1）后期需要用嵌入式CPU实现对HWICAP IP核的操作，而不是PC，因为PC+Vivado+TCL的方式效率太低了；作者对软件开发了解有限，需要一个精通软件的人员，协助作者开发上层软件及应用，比如开发文献中的配表系统；

（2）上述操作方法不适用于Zynq系列，原因未知，目前怀疑是某些操作不到位，Zynq系列的单个LUT动态读写，还需要进一步研究。

参考文献

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[2].ReviriegoP, Ullah A, Pontarelli S. PR-TCAM: Efficient TCAM Emulation on Xilinx FPGAsUsing Partial Reconfiguration[J]. IEEE Transactions on Very Large ScaleIntegration (VLSI) Systems, 2019.
[3].CardonaL A, Ferrer C. AC_ICAP: A flexible high speed ICAP controller[J]. InternationalJournal of Reconfigurable Computing, 2015, 2015: 9.
[4].DS100 Xilinx. Virtex-5 FamilyOverview
[5].UG191 Xilinx. Virtex-5 FPGAConfiguration User Guide
[6].Project X-Ray. https://github.com/SymbiFlow/prjxray
[7].UG472 Xilinx. 7 Series FPGAsClocking Resources
[8].UG470 Xilinx. 7 Series FPGAs Configuration
[9].UG953 Xilinx. Vivado DesignSuite 7 Series FPGA and Zynq-7000 SoC Libraries Guide
[10].PG134 Xilinx. AXI HWICAP v3.0LogiCORE IP Product Guide
[11].AX7103 User Guide. ALINX http://www.alinx.vip:81/ug/AX7103_UG.pdf
[12].UG835 Xilinx.Vivado DesignSuite Tcl Command Reference Guide
[13].UG894 Xilinx. Vivado DesignSuite User Guide: Using Tcl Scripting
[14].TCL知识库.https://mp.weixin.qq.com/s/5xHYli4NqCVLkrJXUPXT2w
[15].HWICAP驱动https://github.com/Xilinx/embeddedsw/tree/master/XilinxProcessorIPLib/dr...

编辑：hfy