ReCoNets Entwurfsmethodik für eingebettete Systeme bestehend aus kleinen Netzwerken hardwarerekonfigurierbarer Knoten und -verbindungen

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1 ReCoNets Entwurfsmethodik für eingebettete Systeme bestehend aus kleinen Netzwerken hardwarerekonfigurierbarer Knoten und -verbindungen C. Bobda, Ch. Haubelt, D. Koch, T. Streichert, Prof. Dr.-Ing. J. Teich, Prof. Dr. rer. nat. R. Wanka

2 Motivation Verhalten Struktur Akt 1 FPGA S1 Sen 1 Sen 1 BH Reconf. Verbind. Ctrl 1 Ctrl 1 S3 ReCoNode Akt 1 Akt 2 S2 Akt 2 Wer entscheidet, wo und wie ein Task ausgeführt wird? Es fehlt an Entwurfsmethodik für dynamisch rekonfigurierbare Netzwerke 2

3 Motivation Verhalten Struktur Sen 1 Sen 1 BH Akt 1 S1 Ctrl 1 Reconf. Verbind. FPGA Ctrl 1 S3 ReCoNode Akt 1 Akt 2 S2 Akt 2 Wer entscheidet, wo und wie ein Task ausgeführt wird? Es fehlt an Entwurfsmethodik für dynamisch rekonfigurierbare Netzwerke 3

4 ReCoNets Entwurfsmethodik für eingebettete Systeme bestehend aus kleinen Netzwerken hardwarerekonfigurierbarer Knoten und -verbindungen Für Anwendung spezialisiertes System Knoten sind elektrisch miteinander verbunden < 100 Knoten Dynamische Nutzungsszenarien erfordern verteilte Online- Verfahren Flexibilität des Systems wird durch Hardware- und Softwarerekonfiguration erreicht 4

5 Gliederung Einleitung Ergebnisse der ersten Förderperiode Modellierung Synthese und Optimierung Analyse Implementierung Vorhaben der zweiten Förderperiode Modellierung Analyse Synthese und Optimierung Implementierung 5

6 Modellierung Configuration2 Configuration3 COMM IP COMM IP CoProc IP CPU IP PTP CPU COMM IP Config 1 CPU COMM IP IP Config 2 CPU PTP FPGA configured with Configuration1 COMM IP CPU FPGA IP COMM IP CoProc CPU Config 3 R. Ernst, Ch. Haubelt, K. Richter, and J. Teich: Modellierung Rekonfigurierbarer Systemarchitekturen. In Proc. of GI/ITG/GMM Workshop, Tübingen, Februar 25-27, Ch. Haubelt, D. Koch, and J. Teich: ReCoNets: Modeling and Implementation of Fault Tolerant Distributed Reconfigurable Hardware. In Proc. of the 16th Symposium on Integrated Circuits and Systems Design (SBCCI2003), São Paulo, Brazil, September 8-11, Ch. Haubelt, S. Mostaghim, J. Teich, and A. Tyagi: Solving Hierarchical Optimization Problems Using MOEAs. In Proc. of EMO 2003, Faro, Portugal, April 8-11,

7 Synthese Ch. Haubelt, S. Otto, C. Grabbe, and J. Teich: System-Level Approach to Hardware Reconfigurable Systems. In Proc. ASP-DAC 05, Shanghai, China, January 18-21, Ch. Haubelt: Design Space Exploration for Distributed Hardware Reconfigurable Systems. In Proc. Field Programmable Logic and Applications, FPL 2004, Antwerp, Belgium, Aug. 30 Sept. 1, D. Koch: Preemptive Hardware Task Management. In Proc. Field Programmable Logic and Applications, FPL 2004, Antwerp, Belgium, Aug. 30 Sept. 1,

8 Analyse P 1 C 1 R 1 B 1 1-Fehler: 2-Fehler: R 1 B 1 R 2 P 2 R 2 R 1 B 1 R 1 R 2 B 1 R 2 R. Feldmann, Ch. Haubelt, B. Monien, and J. Teich: Fault Tolerance Analysis of Distributed Reconfigurable Systems Using SAT-Based Techniques. In Proc. of 13th International Conference on Field Programmable Logic and Applications 2003 Ch. Haubelt and J. Teich: Modeling and Analysis of Distributed Reconfigurable Hardware. In Proc. of Dresdener Arbeitstagung Schaltungs- und Systementwurf (DASS 2004), Dresden, Germany, April 19-20,

9 Online-HW/SW-Partitionierung Verhalten Struktur Online-Optimierung: Bestimmung einer optimalen Bindung Algorithmus läuft läuft dezentral Algorithmus hat hat nur nur lokales Wissen T. Streichert, Ch. Haubelt, and J. Teich: Distributed HW/SW-Partitioning for Embedded Reconfigurable Systems. In Proc. of DATE 05, Munich, Germany, March 7-11, T. Streichert, Ch. Haubelt, and J. Teich: Verteilte HW/SW-Partitionierung für fehlertolerante rekonfigurierbare Netzwerke. In Proc. of 17. Workshop für Testmethoden und Zuverlässigkeit von Schaltungen und Systemen, Innsbruck, Austria, Feb. 27-Mar. 1, T. Streichert, Ch. Haubelt, and J. Teich: Online Hardware/Software Partitioning in Networked Embedded Systems. In Proc. of ASP-DAC 05, Shanghai, China, January 18-21,

10 Implementierung ALTERA Excalibur-Boards Cyclone FPGA für Hardware-Funktionalität NIOS-CPU für Software-Funktionalität P2P-Kommunikation über HDLC Diverse Sensor-Controller-Aktuator-Ketten Blink-Funktionalität Heckrollo-Steuerung Temperaturmessung D. Koch, Ch. Haubelt, and J. Teich: Basic OS Support for Distributed Reconfigurable Hardware. In Proc. of the International Workshop on Systems, Architectures, Modeling and Simulation (SAMOS'04), Samos, Greece, July 19-21,

11 Kooperationen PadErOl (Paderborn, Erlangen, Oldenburg) Durchgehender Designfluss für hardwarerekonfigurierbare Systeme: Von einer formalen Spezifikation bis hin zu partiellen Bitströmen Universität Braunschweig (Prof. Fekete) Kopplung des Projekts ReCoNodes an ReCoNets Platzierungsalgorithmen finden Anwendung bei Mechanismen zur Hardware-Migration und zum Hardware- Morphing 11

12 Gliederung Einleitung Ergebnisse der ersten Förderperiode Modellierung Analyse Synthese und Optimierung Implementierung Vorhaben der zweiten Förderperiode Modellierung Analyse Synthese und Optimierung Implementierung 12

13 Online-HW/SW-Partitionierung : SW-Tasks Allokation(t) Bindung(t) : HW-Tasks 2 S1 Ereignis(t) Schnelle Reparatur Allokation (t) Bindung (t) Optimierung Repartitionierung BH 1 S3 Ist Partition ok? 1 2 S2 Allokation (t) Bindung (t) 13

14 Vorhaben der zweiten Förderperiode BH : SW-Tasks : HW-Tasks 2 S1 Algorithmen zur Online-HW/SW- Partitionierung Migration von Task-Kontexten der Hardware und Software Morphing von Hardware- in Software- Funktionalität und umgekehrt 1 S3 1 2 S2 14

15 Online-HW/SW-Partitionierung : SW-Tasks : HW-Tasks Software-Last: Ausführungszeit eines Prozesses im Verhältnis zu seiner Periode BH S1 0.4 Hardware-Last: Bedarf an Hardware-Ressourcen/ Logikelementen im Verhältnis zu verfügbaren Hardware-Ressourcen/ Logikelementen 0.4 S S

16 Online-HW/SW-Partitionierung Ziele bei der Online-Optimierung Homogene Verteilung von Last zwischen Knoten Allokation(t) Bindung(t) Ereignis(t) Schnelle Reparatur Allokation (t) Bindung (t) Optimierung Repartitionierung Ist Partition ok? Allokation (t) Bindung (t) 16

17 Online-HW/SW-Partitionierung Ziele bei der Online-Optimierung Homogene Verteilung von Last zwischen Knoten Allokation(t) Bindung(t) Ereignis(t) Schnelle Reparatur Allokation (t) Bindung (t) Optimierung Repartitionierung Ist Partition ok? Allokation (t) Bindung (t) 17

18 Online-HW/SW-Partitionierung Ziele bei der Online-Optimierung Homogene Verteilung von Last zwischen Knoten Lastbalance zwischen HW- und SW-Last Allokation(t) Bindung(t) Ereignis(t) Schnelle Reparatur Allokation (t) Bindung (t) Optimierung Repartitionierung Ist Partition ok? Allokation (t) Bindung (t) 18

19 Online-HW/SW-Partitionierung Ziele bei der Online-Optimierung Homogene Verteilung von Last zwischen Knoten Lastbalance zwischen HW- und SW-Last Allokation(t) Bindung(t) Ereignis(t) Schnelle Reparatur Allokation (t) Bindung (t) Optimierung Repartitionierung Ist Partition ok? Allokation (t) Bindung (t) 19

20 Online-HW/SW-Partitionierung Ziele bei der Online-Optimierung Homogene Verteilung von Last zwischen Knoten Lastbalance zwischen HW- und SW-Last Minimierung der Gesamtlast Allokation(t) Bindung(t) Ereignis(t) Schnelle Reparatur Allokation (t) Bindung (t) Optimierung Repartitionierung Ist Partition ok? Allokation (t) Bindung (t) 20

21 Online-HW/SW-Partitionierung Ziele bei der Online-Optimierung Homogene Verteilung von Last zwischen Knoten Lastbalance zwischen HW- und SW-Last Minimierung der Gesamtlast Allokation(t) Bindung(t) Ereignis(t) Schnelle Reparatur Allokation (t) Bindung (t) Optimierung Repartitionierung Ist Partition ok? Allokation (t) Bindung (t) 21

22 Online-HW/SW-Partitionierung Ziele bei der Online-Optimierung Homogene Verteilung von Last zwischen Knoten Lastbalance zwischen HW- und SW-Last Minimierung der Gesamtlast Berücksichtigung von Datenabhängigkeiten Allokation(t) Bindung(t) Ereignis(t) Schnelle Reparatur Allokation (t) Bindung (t) Optimierung Repartitionierung Ist Partition ok? Allokation (t) Bindung (t) 22

23 Online-HW/SW-Partitionierung Ziele bei der Online-Optimierung Homogene Verteilung von Last zwischen Knoten Lastbalance zwischen HW- und SW-Last Minimierung der Gesamtlast Berücksichtigung von Datenabhängigkeiten Allokation(t) Bindung(t) Ereignis(t) Schnelle Reparatur Allokation (t) Bindung (t) Optimierung Repartitionierung Ist Partition ok? Allokation (t) Bindung (t) 23

24 Modelle Erweiterung des bisherigen Modells für Netzwerkflüsse: Sen 1 d 1 =10Kb/s f 1 =10Kb/s d 2 =20Kb/s Ctrl 1 d 3 =5Kb/s f 2 =25Kb/s Akt 1 Akt 2 24

25 Modelle Erweiterung des bisherigen Modells für Netzwerkflüsse: Sen 1 d 1 =10Kb/s f 1 =10Kb/s f 4 =5Kb/s d 2 =20Kb/s Ctrl 1 d 3 =5Kb/s f 5 =5Kb/s f 2 =20Kb/s Akt 1 Akt 2 f 3 =20Kb/s 25

26 Analyse Auf welchem Knoten sollte ein Task redundant ausgeführt werden? Was passiert in einer Überlastsituation auf den Hardwareund Software-Ressourcen? Wie lange dauert die Reparatur? Allokation(t) Bindung(t) Ereignis(t) Schnelle Reparatur Allokation (t) Bindung (t) Optimierung 1 2 Repartitionierung Ist Partition ok? Allokation (t) Bindung (t) 26

27 Modelle: Hardware-Software-Morphing Funktionale Beschreibung durch einen deterministischen, endlichen Zustandsautomaten Verfeinerung in Hardware bzw. Software erhöht die Anzahl der internen Zustände Hardware-Software-Morphing nur möglich, wenn eine bijektive Transformation von S in beiden Verfeinerungen existiert S SW S S HW M SW M HW -1-1 M SW M HW 27

28 Analyse: Hardware-Software-Morphing Wann darf gemorpht/migriert werden? Untersuchung von Compiler und Synthesewerkzeugen bezüglich der Zustandsrepräsentation Wann ist die Datenmenge eines Kontextes minimal? Was ist ein optimaler Morph-/Migrationspunkt? Kosten für das HW/SW-Morphing Wie lange dauert Morphing/Migration? Welcher zusätzliche Hardware- und Software-Aufwand entsteht? 28

29 Synthese und Optimierung Extraktion von Software-Zuständen: Verwendung von Checkpointing-Mechnismen Extraktion von Hardware-Zuständen: Architekturebene: Configuration Readback Modulebene: Modifikation der HW-Module (scan chain) CPU MEM I/O RUN State HW-Modul1 RUN State HW-Modul2 29

30 Morphing auf Modulebene Online-HW/SW-Partitionierung erfordert Morphing von Hardware- und Software-Zuständen 1. CPU HW-Modul1: Stoppe bei Morph-Punkt 2. HW-Modul1 CPU: Morph-Punkt erreicht 3. CPU: Lese Zustand von HW-Modul1 und transformiere in den äquivalenten SW-Zustand CPU MEM I/O RUN State HW-Modul1 RUN State HW-Modul2 30

31 Implementierung Implementierung einer Betriebssysteminfrastruktur für ein ReCoNet Prototypische Umsetzung der Verfahren Online Hardware-Software-Partitionierung Task-Migration Task-Morphing Netzwerk-Monitoring: Analyse des Netzwerks hinsichtlich Morph-/Migrationszeiten Erkennen des Netzwerkzustandes Netzwerk-Monitoring ReCoNets 31

32 Zeitplan Modellierung des HW/SW-Morphings und der selbstroutenden Netzwerke Analyse der Kosten für Migration und Morphing der Mechanismen zur Online-HW/SW-Partitionierung Synthese & Optimierung: Verfahren zur Extraktion und Transformation von HW/SW-Kontexten Repartitionierung unter Berücksichtigung von Datenabhängigkeiten Implementierung: Prototypische Umsetzung und Test der Verfahren am Demonstrator Modellierung Analyse Synthese und Optimierung Implementierung Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 32