Einführungskolloquium zum DFG-Schwerpunktprogramm „Rekonfigurierbare Rechensysteme“12. – 13. Juni 2003, DaimlerChrysler AG, Stuttgart
ReCoNets –Entwurfsmethodik für eingebettete Systeme
bestehend aus kleinen Netzwerkenhardwarerekonfigurierbarer Knoten und
-verbindungen
Ch. Haubelt, D. Koch, T. Streichert, J. TeichHardware-Software-Co-DesignUniversität Erlangen-Nürnberg
{haubelt, dirk.koch, streichert, teich}@informatik.uni-erlangen.de
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Gliederung
� Motivation� Ziele� Arbeitsprogramm:
� Modellierung� Analyse� Synthese und Optimierung� Implementierung
� Ausblick
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Gliederung
� Motivation� Ziele� Arbeitsprogramm:
� Modellierung� Analyse� Synthese und Optimierung� Implementierung
� Ausblick
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Beispiel: Automobil
Quelle: DaimlerChrysler AG
Beispiele: Antriebsstrang, Komfort, Anzeigesysteme, Telematik, Diagnose, Diebstahlschutz, zukünftige Fahrfunktionen
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Beispiel: Body-Area-Netzwerke
Quelle: Fraunhofer Gesellschaft
� geographisch feste Knoten� hohe Spezialisiertheit� schlechte
Ressourcenauslastung� kaum Flexibilität� geringe Ausfallsicherheit� …
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Gliederung
� Motivation� Ziele� Arbeitsprogramm:
� Modellierung� Analyse� Synthese und Optimierung� Implementierung
� Ausblick
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Entwurfsmethodik für eingebettete Systeme bestehendaus kleinen Netzwerken hardwarerekonfigurierbarer
Knoten und -verbindungen
Entwurfsmethodik für eingebettete Systeme bestehendaus kleinen Netzwerken hardwarerekonfigurierbarer
Knoten und -verbindungen
Ziele (1/4)
� < 100 Knoten� Zum jedem Zeitpunkt ist jedem Knoten die funktionsfähige
Netztopologie und die Prozessverteilung bekannt
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Entwurfsmethodik für eingebettete Systeme bestehendaus kleinen Netzwerken hardwarerekonfigurierbarer
Knoten und -verbindungen
Ziele (2/4)
� Spezialisiertes System� Dynamische Nutzungsszenarien erfordern die
Anpassbarkeit des Systems und der einzelnen Knoten an unterschiedliche Anforderungen� Energieaspekte� Rechenleistung� …
� Nur durch Hardwarerekonfiguration zu erreichen
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Entwurfsmethodik für eingebettete Systeme bestehendaus kleinen Netzwerken hardwarerekonfigurierbarer
Knoten und -verbindungen
Ziele (3/4)
� Knoten sind elektrisch miteinander verbunden(Dies steht im Gegensatz zu Modellen und Verfahren von Funk- und optischen Netzen)
� Knoten sind an geographisch festen Orten gebunden� Flexibilität des Systems wird allein durch
Hardwarerekonfiguration erreicht
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Entwurfsmethodik für eingebettete Systeme bestehendaus kleinen Netzwerken hardwarerekonfigurierbarer
Knoten und -verbindungen
Ziele (4/4)
� Es fehlt an Entwurfsmethodik für diese Systeme!
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Gliederung
� Motivation� Ziele� Arbeitsprogramm:
� Modellierung� Analyse� Synthese und Optimierung� Implementierung
� Ausblick
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Reconf.Verbind.
FPGA
ReCoNode
Sensor-Controller-Aktuator-Kette
PS2
PC
PA2
A2
PAm
Am
PA1
A1
S2 SnS1
PS1 PSn
ReCoNet
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Rekonfigurierbare Hardware
PA2
PA1
PC
CPU
PC PA2
PA1 PA2
PC PA1
PA1 PA2
PC
PC
PA2PA1
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Zusammenfassung: Modellierung
� Modellierung und Architekturabbildung von sog. Sensor-Controller-Aktuator-Ketten
� Modellierung und Spezifikation zeitvarianter Anwendungen und Architekturen:� Zeitvariante Allokation α(t):
Welche Komponenten (Konfigurationen) stehen zum Zeitpunkt t zur Verfügung?
� Zeitvariante Bindung β(t):Auf welcher Komponente wird ein Prozess zum Zeitpunkt tausgeführt?
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Gliederung
� Motivation� Ziele� Arbeitsprogramm:
� Modellierung� Analyse� Synthese und Optimierung� Implementierung
� Ausblick
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Ausfallsicherheit und Fehlertoleranz
R1
B1
R2
B1 R2
2-Fehler: R1 B1 R1 R2
R2
1-Fehler: R1 B1
����
����
���� ����
����
P1
C1
P2
����
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Ausfallsicherheit
� Erste Vorarbeiten:� SAT-basierte Verfahren zur System-Synthese� Auch einsetzbar zur Analyse der Ausfallsicherheit zur
Entwurfszeit � Topologieoptimierung
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Detektion von Ressourcendefekten
� Erkennung von Fehlern auf Leitungen z.B. durch paketorientierte Kommunikation
� Einsatz bekannter Techniken zur Kanalcodierung und Fehlerkorrektur als Hilfswerkzeuge möglich
� Knotendetektion kann z.B. von Leitungsdetektionabgeleitet werden
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Gliederung
� Motivation� Ziele� Arbeitsprogramm:
� Modellierung� Analyse� Synthese und Optimierung� Implementierung
� Ausblick
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R1 R2 R3 R4R1 0 1 1 1R2 1 0 1 1R3 1 1 0 1R4 1 1 1 0
R1 R2 R3 R4R1 0 1 1 1R2 1 0 1 1R3 1 1 0 1R4 1 1 1 0
R1 R2 R3 R4R1 0 0 1 1R2 0 0 1 1R3 1 1 0 1R4 1 1 1 0
R1 R2 R3 R4R1 0 0 1 1R2 0 0 1 1R3 1 1 0 1R4 1 1 1 0
R1 R2 R3 R4R1 0 1 1 1R2 1 0 1 1R3 1 1 0 1R4 1 1 1 0
R1 R2 R3 R4R1 0 1 1 1R2 1 0 1 1R3 1 1 0 1R4 1 1 1 0
R1 R2 R3 R4R1 0 0 1 1R2 0 0 1 1R3 1 1 0 1R4 1 1 1 0
R1 R2 R3 R4R1 0 0 1 1R2 0 0 1 1R3 1 1 0 1R4 1 1 1 0
Rerouting
R1
B3R2
R4
R3
PC
PS
PA
B4
computeShortestPath()
computeShortestPath()
computeShortestPath()
computeShortestPath()
B2
B5
B1
B6
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Online-HW/SW-Partitionierung (1/2)
R1
B3R2
R4
R3
PC
PS
PA
B4
B2
B5
B1
B6
� Aber: Wohin soll ein Prozessmigriert werden?� Minimierung der Anzahl der zu
rekonfigurierenden Knoten?� Ausgeglichene
Ressourcenauslastung?� Minimierung der mittleren
Kommunikationsstrecke?� …
� Soll ein Prozess nach derMigration in HW oder SW ausgeführt werden?
� Managmentfunktion zentral oderdezentral realisieren?
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Online-HW/SW-Partitionierung (2/2)
Repartitionierung
Optimierung
(α(t), β(t))
(α‘(t), β‘(t))
(α‘(t), β‘‘(t))
e(t)
� Ereignis e(t) bewirktAllokationsänderung
� Repartitionierung bindet“kritische” Prozesse neu
� Optimierungsphase verteilt Prozesse neu
� Mögliche Zielgrößen:� Flächenbedarf für Hardware-
Prozesse je Knoten� Anzahl der Prozesse pro
Knoten
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Gliederung
� Motivation� Ziele� Arbeitsprogramm:
� Modellierung� Analyse� Synthese und Optimierung� Implementierung
� Ausblick
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Implementierung
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Excalibur-Board
APEX FPGA:max. System Gates: 526.000max. RAM Bits: 106.496max. User I/Os: 382
Configuration Controller
256 kByte SRAM1 MByte Flash Memory
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SoC-Realisierung
CPU
NIOS
PB
M
IRQ
TimerPIOSPI
Use
r Def
ined
Har
dwar
e
FlashSRAMSRAM
DFG-SPP 1148 „Rekonfigurierbare Rechensysteme“ReCoNets - Ch. Haubelt 27
Arbeitsplan (1/2)
20%20%30%20%80%
20%20%30%50%40%
10%20%30%40%30%
10%10%20%20%10%
10%10%
10%Implement.AP8AP9AP10AP11AP12
10%10%30%
30%40%
30%40%
30%40%
40%40%
SyntheseAP6AP7
20%20%10%
30%20%
30%20%
30%20%
10%30%10%
40%20%10%
40%10%10%
AnalyseAP3AP4AP5
10%10%10%40%60%40%30%
60%60%ModellierungAP1AP2
Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1
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20%20%30%20%80%
20%20%30%50%40%
10%20%30%40%30%
10%10%20%20%10%
10%10%
10%Implement.AP8AP9AP10AP11AP12
10%10%30%
30%40%
30%40%
30%40%
40%40%
SyntheseAP6AP7
20%20%10%
30%20%
30%20%
30%20%
10%30%10%
40%20%10%
40%10%10%
AnalyseAP3AP4AP5
10%10%10%40%60%40%30%
60%60%ModellierungAP1AP2
Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1
Arbeitsplan (2/2)
Modellierung zeitvarianter Anwendungen und ArchitekturenDefinition zeitvarianter Allokationen und Bindungen
Analyse von Spezifikationen mit zeitv. Allokation und BindungAnalyse von Ausfallsicherheit und Fehlertoleranz
Erkennung von Leitungs- und Knotenstörungen und -ausfällen
Mechanismen und Zielfunktionen zum Rerouting in ReCoNetsAlgorithmen zur Online-Hardware/Software-Partitionierung
Analyseverfahren zur Bestimmung der AusfallsicherheitRoutingverfahren bei fehlerhaften Leitungen und Knoten
Simulative Implementierung der Online-HW/SW-PartitionierungAufbau des Demonstrators
Test des Demonstrators an Beispielen
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Gliederung
� Motivation� Ziele� Arbeitsprogramm:
� Modellierung� Analyse� Synthese und Optimierung� Implementierung
� Ausblick
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Ausblick (1. + 2. Phase)
� 1. Phase terminiert in einem ersten einfachenPrototypen:� Automatisches Erkennen von Leitungs- und Knotenausfällen� Automatisches Rerouting bzw. Repartitionierung
� 2. Phase: Betriebssystemdienste:� Verwaltung von HW- und SW-Prozessen� Kombination der Entwurfsmethodiken auf Mikro- und
Makroebene (ReCoNets & ReCoNodes)
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Ausblick (3. Phase)
� 3. Phase:� Optimierung der Netztopologie� Sicherheit und Zugang zu ReCoNets� Echtzeitverhalten in ReCoNets