Architekturen, Werkzeuge und Laufzeitumgebungen für eingebettete Systeme

Transkript

1 Farbverlauf Architekturen, Werkzeuge und Laufzeitumgebungen für eingebettete Systeme Embedded Systems Christian Hochberger Professur Mikrorechner Fakultät Informatik Technische Universität Dresden

2 Nötiges Detail Wisse im Bereich eingebetteter Systeme Hardware Entwurf Analog: Schnittstellen, Signalverarbeitung Digital: Prozessorarchitektur, Peripherie, Systemintegration Software Entwurf Maschinennahe Programmierung Software Engineering Anwendungsdomäne Unser Ziel: Reduktion des erforderlichen Detail Wissens Anhebung des Abstraktionsniveaus Chr. Hochberger, Professur Mikrorechner 2

3 Gliederung Kertasarie VM Java in eingebetteten Systemen Kurzer Ausflug: Chiptechnologie SpartanMC System on Chip (SoC) mit FPGAs AMIDAR SoC Architekturen mit Self X Eigenschaften Chr. Hochberger, Professur Mikrorechner 3

4 Kertasarie VM Spezielle VM für eingebettete Systeme Volle Unterstützung von J2SE (außer Grafik) Besonders klein Besonders gut konfigurierbar Hart echtzeitfähig Kleinste VM mit Serialisierung und Reflection Ursprünglicher Fokus (1999): Minimaler Speicherverbrauch Reine Bytecode Interpretation Kommerzialisierung über GWT Chr. Hochberger, Professur Mikrorechner 4

5 Kertasarie VM Forschungsfragen Beschleunigung durch Just In Time Compilation Wie unterstützt man die extreme Vielzahl an Prozessoren? Wie konstruiert man möglichst kleine Compiler? Wie erhält man die Echtzeitfähigkeit in compiliertem Code? Weitere Abstraktion auf Anwendungsebene Effiziente Beschreibung von Anwendungen? (KSP vs. JSP) Unterstützung für Rollen Modelle? Chr. Hochberger, Professur Mikrorechner 5

6 Moores Law Chr. Hochberger, Professur Mikrorechner 6

7 Moores Law (2) Moores Law schon oft tot gesagt Trotzdem seit 40 Jahren gültig!!! Ursachen: Neue Technologien Hartes ultraviolettes Licht Neue Isolatoren Neue Substrate... Und noch kein Ende in Sicht... Chr. Hochberger, Professur Mikrorechner 7

8 Design Gap Produktivität und Kapazität Produktivität Transistoren * * Chr. Hochberger, Professur Mikrorechner 8

9 Nutzung der Transistormengen Große Chips Prozessoren, Grafik Chips, Caches Nützlichkeit begrenzt Komplette Anwendungen auf einem Chip Integration aller Komponenten einer Anwendung auf einem Chip (SoC) Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) Programmierbare Logikschaltungen hoher Kapazität Entwurf und Programmierung in Einzelstücken möglich Chr. Hochberger, Professur Mikrorechner 9

10 SpartanMC Idee FPGAs mit nennenswerter Größe heute extrem günstig ( Gatterequivalente < 2$) FPGAs valide Plattform für SoCs Entwurf erfordert zuviele Detailkenntnisse Bereitstellung Entwicklungsumgebung zum automatisierten Entwurf von SoCs Spezialisierter Prozessor Core für FPGAs Standard Peripherie (USB, CAN, UART, Timer, IO,...) Software Tools (C Compiler, Assembler, Simulator) Chr. Hochberger, Professur Mikrorechner 10

11 SpartanMC Systemüberblick Chr. Hochberger, Professur Mikrorechner 11

12 SpartanMC Forschungsfragen Weitergehende Anwendungsanpassung Rechenintensive Anteile in Hardware realisieren Wie können wir den Prozessor an die Aufgabe anpassen? Automatische Extraktion der rechenintensiven Anteile aus Quellcode Multi Core Architekturen SpartanMC passt bis zu 25* auf ein (billiges) FPGA Wie kann der Anwender solche Architekturen effektiv entwickeln? Chr. Hochberger, Professur Mikrorechner 12

13 AMIDAR Idee Chipfläche kann benutzt werden, um Anwendungen zu beschleunigen Neues Paradigma: Computing in Space vs. Computing in Time Führt zu höherer Leistung oder niedrigerem Takt Problem: In traditionellen Ansätzen müssen Anwendungen manuell auf Hardware umgesetzt werden Systeme können nicht dynamisch auf neue Aufgaben reagieren Chr. Hochberger, Professur Mikrorechner 13

14 Das AMIDAR Modell Adaptive Microinstruction Driven Architecture D Communication D D I D I structure I D D D D D I D D Token FU... FU FU Generator T T T T T T T T T token distribution network Tokengenerator verarbeitet Programm Information Erzeugen der Token für die FUs Token steuern die Operationen der FUs und den Datentransport zw. den FUs Chr. Hochberger, Professur Mikrorechner 14

15 AMIDAR Vorteile AMIDAR Prinzip arbeitet Daten getrieben Arbeitsweise bietet viele Vorteile: Implizite Realisierung überlappender Ausführung und paralleler Verarbeitung von Befehlen Konkretes Timing einzelner FUs nicht relevant Profiling laufender Anwendungen gut möglich Austausch/Ergänzung von FUs sehr einfach möglich Chr. Hochberger, Professur Mikrorechner 15

16 AMIDAR Stand der Arbeiten Taktgenauer Simulator Für Java Bytecode Architektur verfügbar Anpassung an.net Common Intermediate Language in Arbeit Profiling laufender Anwendungen möglich Automatische Synthese und Integration einfacher FUs möglich Synthese komplexer FUs in Arbeit Chr. Hochberger, Professur Mikrorechner 16

17 AMIDAR Forschungsfragen Wie sieht eine gute Mikroarchitektur aus? Granularität des rekonfigurierbaren Bereichs Abbildung der synthetisierten FUs auf Zieltechnologie Mapping der Elemente Tools für Place & Route Wechselwirkungen zw. Mikroarchitektur und Tools zw. Mikroarchitektur und Syntheseverfahren Chr. Hochberger, Professur Mikrorechner 17