Hardware/Software-Codesign

Transkript

1 Hardware/Software-Codesign Kapitel 1 - Einführung M. Schölzel

2 Entwicklungsgeschichte Job User User Ergebnis Mainframes / Großrechner Großrechner Desktops Sensoren Physisches System Prozessrechner Zuverlässigkeit nimmt zu Erster Mikroprozessor Intel 4004 Aktuatoren Finden Eingang in viele Bereiche Logik auf einem Chip integriert Eingebettete Systeme

3 Beispiel für diesen Trend Komet Küchenmaschine anno 1958 Küchenmaschine anno 2010 Rührwerk 1 Schalter Drehzahl über Getriebe wählbar Kaum elektronische Bauteile Rührwerk, Waage, Heizplatte, Uhr 15 Schalter/Knöpfe (teilweise Mehrfachbelegung) 18 LEDs Digitalanzeige Platine mit Prozessor 3

4 Eingebettete Elektronik ist Überall Mikrocontroller Mikroprozessor Mehrkernprozessor 80 bis 100 Prozessoren Fensterhebermotor Regelung durch Mikroprozessor

5 Schematische Darstellung Eingebettetes System Kopplung Speicher ASIC Standardkomponente Prozessor Prozessor Eingebettetes System Systemumgebung

6 Kopplung Prozessrechner mit physischem System Analoge Signale sind kontinuierlich in der Zeit und den Werten Digitale Signale sind diskret in der Zeit und den Werten Mit zunehmender Integrationsdichte wurden digitale Verarbeitungssysteme immer kleiner (Schrankgröße -> Stecknadelkopfgröße) Damit zunehmende Verbreitung der eingebetteten Systeme Analog-Digital- Wandler Digitale Signale Cyber-System * Digitales Verarbeitungssystem Digitale Signale Digital-Analog- Wandler Analoge Signale Analoge Signale Sensoren Regelstrecke Aktoren Physical-System * * Lee, Edward. Cyber Physical Systems: Design Challenges. University of California, Berkeley Technical Report No. UCB/EECS

7 Entwurfsprozesses für Cyber-Physical-System Gesamtsystems Entwurf mechanischer Komponenten Entwurf elektronischer Komponenten Formales Modell der elektronischen Komponenten Formales Modell der mechanischen Komponenten Testen mechanischer Komponenten Testen elektronischer Komponenten Gesamtsystem

8 Motivation für HW/SW-Codesign Freiheitsgrade beim Entwurf elektronischer Komponenten Application Specific Circuit (ASIC) Standardprozessor + Software Gründe für Implementierung in Software: Entwurfszeit, Flexibilität, Entwicklungskosten. Gründe für Implementierung in Hardware: Verarbeitungsgeschwindigkeit, Stromverbrauch, Platzverbrauch, (Fertigungskosten).

9 Verarbeitungsgeschwindigkeit hoch Auf das Problem zugeschnittene Hardwarearchitektur und Technologie Spezialhardware möglich niedrig Umsetzung als ASIC Programmgesteuerte Universalarchitektur verbraucht Zeit für Programmverarbeitung Alle erforderlichen Operationen müssen mit dem vorhandenen Befehlssatz umgesetzt werden Umsetzung mit Standardprozessor und Software

10 Entwurfszeit hoch Oft vollständiger Neuentwurf erforderlich. Korrektur von Entwurfsfehlern kostet viel Zeit. Niedriges Abstraktionsniveau niedrig Umsetzung als ASIC Neuentwurf erforderlich, aber Programmiersprachen stellen oft schon zahlreiche Bibliotheken mit vorgefertigter Funktionalität bereit. Höheres Abstraktionsniveau als in Hardwarebeschreibungssprachen Umsetzung mit Standardprozessor und Software

11 Entwicklungskosten hoch Korreliert mit Entwurfszeit niedrig Umsetzung als ASIC Korreliert mit Entwurfszeit Umsetzung mit Standardprozessor und Software

12 Flexibilität hoch Auch nach der Fertigung noch Änderungen an der Software möglich niedrig Einmal gefertigt nicht mehr änderbar Umsetzung als ASIC Umsetzung mit Standardprozessor und Software

13 Platz-/Stromverbrauch hoch Programmgesteuerte Universalarchitektur verbraucht Platz und Strom für Programmverarbeitung Längere Verarbeitungszeit Überflüssige Hardware niedrig Auf das Problem zugeschnittene Hardwarearchitektur und Technologie Spezialisierte Hardware - komponenten Umsetzung als ASIC Umsetzung mit Standardprozessor und Software

14 Gesamtkosten pro Stück hoch Bei geringer Stückzahl Bei hoher Stückzahl niedrig Bei hoher Stückzahl Bei geringer Stückzahl Umsetzung als ASIC Umsetzung mit Standardprozessor und Software Beispiel: Fixkosten: Herstellungskosten pro Stück 2, , 5 x x x (3 2, 5) x Fixkosten: Kaufpreis pro Stück: 3,00

15 Schlussfolgerung Gesucht ist eine Lösung, die die Gesamtkosten minimiert und dabei alle Randbedingungen (Verarbeitungszeit, Entwicklungszeit, Platz-/Stromverbrauch, ) einhält. Durch eine Softwarerealisierung können die Entwicklungskosten und zeiten gering gehalten werden. Anforderungen bzgl. Verarbeitungsgeschwindigkeit, Platz- /Stromverbrauch werden dann aber evtl. nicht eingehalten. Hardware-/Software Codesign dient dem Finden einer Systemimplementierung, zwischen diesen beiden Extremen.

16 Was ist HW/SW-Codesign? Hardware/software co-design means meeting system-level objectives by exploiting the synergism of hardware and software through their concurrent design. DeMicheli Co-Design is a simultaneous consideration of hardware and software within the design process. Lockheed Martin Hardware/software co-design means meeting system-level objectives by exploiting the synergism of hardware and software through their concurrent design. Software-hardware co-design is an important approach to ensure an efficient final implementation of the product. Wikipedia

17 Aspekte des HW/SW Codesign: Partitionierung Informale Spezifikation (Beschreibung der Funktionalität) Formale Spezifikation Betrachtung unterschiedlicher HW/SW Partitionierungen für die Funktionen Fi im System. F1 F4 F5 F1 F2 F4 F5 F1 F2 F4 F3 F6 F3 F6 F3 F6 F2 F5 HW SW HW SW HW SW Variante 1 Variante 2 Variante k

18 Aspekte des HW/SW Codesign: High- Level-Synthese F1 K1 F4 F5 F1 K1 F2 K2 F4 F5 F1 K1 F2 K2 F4 F3 F6 F3 K3 F6 F3 K3 F6 K4 F2 F5 K5 HW SW HW SW HW SW Variante 1 Variante 2 Variante k Abbilden der Funktionalität, die in Form einer Hochsprachenbeschreibung (Programmiersprache, Graphmodell) auf eine Hardwareimplementierung (Struktur) Dabei Optimierung der Hardware für die geforderte Funktionalität

19 Aspekte des HW/SW Codesign: HW für SW optimieren F1 K1 F4 F5 F1 K1 F2 K2 F4 F5 F1 K1 F2 K2 F4 P1 P2 F3 F6 F3 K3 F6 F3 K3 F6 K4 F2 P2 F5 K5 P1 HW SW HW SW HW SW Variante 1 Variante 2 Variante k Software fest vorgegeben: Optimierung der Hardware durch Auswahl geeigneter Prozessoren für die Softwarefunktionalität. Möglichkeiten: Verwendung von Standardprozessoren Verwendung Domain-spezifischer Prozessoren (z.b. Digitale Signalprozessoren, Mikrocontroller) Verwendung von ASIPs (Application Sepcific Instruction Set Processors); Ableiten des Befehlssatzes des Prozessors aus der Anwendung erforderlich

20 Aspekte des HW/SW Codesign: SW für HW optimieren F1 K1 F4 F5 F1 K1 F2 K2 F4 F5 F1 K1 F2 K2 F4 P1 P2 F3 F6 F3 K3 F6 F3 K3 F6 K4 F2 P2 F5 K5 P1 HW SW HW SW HW SW Variante 1 Variante 2 Variante k Hardware fest vorgegeben: Optimierung der Software bei der Softwaresynthese oder Auswahl eines geeigneten Algorithmus aus einem ganzen Spektrum von Algorithmen, der besonders gut auf vorliegender HW abgearbeitet werden kann. Softwaresynthese: Abbilden der in Software implementierten Funktionen auf den Zielprozessor Programm muss für Zielarchitektur optimiert werden Für jede Zielarchitektur wird ein spezifischer optimierender Compiler benötigt: Anpassung der Hardware zur Unterstützung bestimmter Optimierungstechniken in Compilern Anpassung des Compilers zur Unterstützung bestimmter Optimierungen für die Zielarchitektur

21 Problematik des Systementwurfs Höhere Integrationsdichte erlaubt Fertigung immer komplexerer Systeme: System on Chips (SoC) Multi-Processor Systems on Chip (MPSoC) Design-Gap: Entwicklung geeigneter Entwurfswerkzeuge hält mit Systemkomplexität, die gefertigt werden kann, nicht Schritt Komplexität Design-Gap Komplexität Hardware Beherrschbare Komplexität mit Entwurfswerkzeugen Eine Lösungsstrategie: Abstraktion Jahr

22 Systematisierung Systementwurf Abstraktion Granularität der Modellierung: Systemebene (Prozessoren, Speicher, Busse, ) Architektureben (Register, ALU, ) Logikebene (Gatter, Flip-Flops, ) Schalterebene Verfeinerung ( ) ist die Verringerung der Abstraktion Verhalten System Prozessor Logik Schalter Sichten Beschreiben unterschiedliche Modellierungsarten: Verhalten Struktur (Physische Sicht) Synthese ( ) ist die Überführung von Verhalten in Struktur bzw. Struktur in Physische Sicht Struktur Physisch Abstraktionen / Ebenen nach Gajski (Y-Chart)

23 Typische Modelle im Entwurfsablauf Prozessbasierte Modelle (Kommunizierende Prozesse, DFGs), Zustandsbasierte Systeme (Petrinetze, State Charts) Prozessoren, ASICs, Speicher, Busse, Programmiersprachen, CFG, DAGs zur Modellierung sequentiellen Verhaltens Verhalten System Prozessor Logik Schalter Struktur ALUs, Register, Multiplizierer, Gatter (NAND, NOR), Flip-Flops Zustandsautomaten zur Modellierung sequentieller Logik, Aussagenlogische Formeln, Wahrheitswertetabellen zur Modellierung Boolescher Funktionen Physisch Spannungs- /Stromgleichungen Physische Aufteilung des Chips Transistoren, Netzlisten Transistorlayout Gatterlayout Layout der Module

24 Einbeziehung der Software Software Hardware Verhalten System Prozessor Logik Struktur Schalter Block Modul System Architektur Logik Abstraktionen / Ebenen nach J. Teich (Doppeldach) Physisch Abstraktionen / Ebenen nach Gajski (Y-Chart)

25 Typische Modelle Prozessbasierte Modelle (Kommunizierende Prozesse, DFGs) Zustandsbasierte Modelle (Petrinetze, State Charts) Prozessoren, ASICs, ASIPs, Busse, Speicher, Algebraische Spezifikation Software Hardware Programmiersprachen, Hardwarebeschreibungssprachen, DAGs, Graph-basierte Modelle, DAGs, CFG, 3-Address-Code Assembler- /Maschinenprogramm Imperatives Programm Block Modul System ALUs, Register, Multiplexer, Architektur Logik Boolesche Funktionen, Zustandsautomaten, Gatter, Flip-Flops, Abstraktionen / Ebenen nach J. Teich

26 Typischer Entwurfsablauf Systemspezifikation Validierung HW/SW-Partitionierung Hardwareentwurf Validierung Hardwaresynthese Softwareentwurf Validierung Softwaresynthese Validierung Fertig

27 Typischer Ablauf der High-Level- Synthese Eingabe der Spezifikation Berechnung einer Allokation, Ablaufplanung und Bindung Ausgabe des Datenpfads Ausgabe des Kontrollpfads

28 Prozessorsynthese (1) Fertig! Aufgabe: Fensterhebermotor bauen Mechanische Komponenten entwerfen Elektronische Komponenten entwerfen CoMet Prozessor entwerfen Software entwerfen Prozessor muss zur Software passen! Software ist in der Regel zuerst da!

29 Prozessorsynthese (2) Spezifikation des Prozessormodells Software Assembler Übersetzungswerkzeuge Compiler Binärcode der Anwen - dung Anpassung des Simulators Ergebnisse des Profilings

30 Typischer Ablauf der Software-Synthese Eingabe des Hochsprachenprogramms Berechnung einer Ablaufplanung, Zielcodeauswahl und Registerallokation Ausgabe des Binärcodes

31 Was soll behandelt werden in der VL? Implementierungsvarianten für eingebettete Systeme: ASICs, verschiedene Prozessorarchitekturen, FPGAs, Softcores, Systemspezifikation Validierung HW/SW-Partitionierung Modellierungsmöglichkeiten für eingebettete Systeme VHDL Hardwareentwurf Validierung Hardwaresynthese Softwareentwurf Validierung Softwaresynthese High-Level-Synthese, Architektursynthese Synthesecompiler Validierung Fertig Compiler: Optimierung (Standardoptimierungen / Zielarchitekturabhängige Optimierungen), Retargierbare Compiler

32 Literatur J. Teich: Digitale Hardware/Software-Systeme Synthese und Optimierung, Springer, R. Gessler, T. Mahr: Hardware-Software-Codesign Entwicklung flexibler Mikroprozessor-FPGA-Hochleistungssysteme, Vieweg, A. Jentsch: Modeling Embedded Systems and SOC s Concurrency and Time in Models of Computation, Morgan Kaufmann, Rajesh Kumar Gupta: Co-Synthesis of Hardware and Software for Digital Embedded Systems, Kluwer Academic Publishers, Daniel D. Gajski, Frank Vahid, Sinjiv Narayan, Jie Gong: Specification and Design of Embedded Systems, Prentice Hall, D. Gajski, S. Abdi, A. Gerstlauer, G. Schirner: Embedded System Design Modeling, Synthesis and Verification, Springer, 2009.