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 Ch. Haubelt, D. Koch, T. Streichert, J. Teich Hardware-Software-Co-Design Universität Erlangen-Nürnberg {haubelt, dirk.koch, streichert, Einführungskolloquium zum DFG-Schwerpunktprogramm Rekonfigurierbare Rechensysteme Juni 2003, DaimlerChrysler AG, Stuttgart

2 Gliederung Motivation Ziele Arbeitsprogramm: Modellierung Analyse Synthese und Optimierung Implementierung Ausblick ReCoNets - Ch. Haubelt 2

3 Gliederung Motivation Ziele Arbeitsprogramm: Modellierung Analyse Synthese und Optimierung Implementierung Ausblick ReCoNets - Ch. Haubelt 3

4 Beispiel: Automobil Quelle: DaimlerChrysler AG Beispiele: Antriebsstrang, Komfort, Anzeigesysteme, Telematik, Diagnose, Diebstahlschutz, zukünftige Fahrfunktionen ReCoNets - Ch. Haubelt 4

5 Beispiel: Body-Area-Netzwerke Quelle: Fraunhofer Gesellschaft geographisch feste Knoten hohe Spezialisiertheit schlechte Ressourcenauslastung kaum Flexibilität geringe Ausfallsicherheit ReCoNets - Ch. Haubelt 5

6 Gliederung Motivation Ziele Arbeitsprogramm: Modellierung Analyse Synthese und Optimierung Implementierung Ausblick ReCoNets - Ch. Haubelt 6

7 Ziele (1/4) Entwurfsmethodik für eingebettete Systeme bestehend aus kleinen Netzwerken hardwarerekonfigurierbarer Knoten und -verbindungen < 100 Knoten Zum jedem Zeitpunkt ist jedem Knoten die funktionsfähige Netztopologie und die Prozessverteilung bekannt ReCoNets - Ch. Haubelt 7

8 Ziele (2/4) Entwurfsmethodik für eingebettete Systeme bestehend aus kleinen Netzwerken hardwarerekonfigurierbarer Knoten und -verbindungen Spezialisiertes System Dynamische Nutzungsszenarien erfordern die Anpassbarkeit des Systems und der einzelnen Knoten an unterschiedliche Anforderungen Energieaspekte Rechenleistung Nur durch Hardwarerekonfiguration zu erreichen ReCoNets - Ch. Haubelt 8

9 Ziele (3/4) Entwurfsmethodik für eingebettete Systeme bestehend aus kleinen Netzwerken hardwarerekonfigurierbarer Knoten und -verbindungen 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 ReCoNets - Ch. Haubelt 9

10 Ziele (4/4) Entwurfsmethodik für eingebettete Systeme bestehend aus kleinen Netzwerken hardwarerekonfigurierbarer Knoten und -verbindungen Es fehlt an Entwurfsmethodik für diese Systeme! ReCoNets - Ch. Haubelt 10

11 Gliederung Motivation Ziele Arbeitsprogramm: Modellierung Analyse Synthese und Optimierung Implementierung Ausblick ReCoNets - Ch. Haubelt 11

12 Sensor-Controller-Aktuator-Kette S 1 S 2 S n ReCoNet P S1 P S2 P Sn P C FPGA P A1 P A2 P Am Reconf. Verbind. A 1 A 2 A m ReCoNode ReCoNets - Ch. Haubelt 12

13 Rekonfigurierbare Hardware P C P A1 P A2 P C P A1 P C P A2 P C P A1 P A2 P C P A1 P A2 P A1 P A2 CPU ReCoNets - Ch. Haubelt 13

14 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 t ausgeführt? ReCoNets - Ch. Haubelt 14

15 Gliederung Motivation Ziele Arbeitsprogramm: Modellierung Analyse Synthese und Optimierung Implementierung Ausblick ReCoNets - Ch. Haubelt 15

16 Ausfallsicherheit und Fehlertoleranz 1-Fehler: P 1 R 1 2-Fehler: R 1 B 1 R 2 C 1 B 1 R 1 B 1 R 1 R 2 B 1 R 2 P 2 R 2 ReCoNets - Ch. Haubelt 16

17 Ausfallsicherheit Erste Vorarbeiten: SAT-basierte Verfahren zur System-Synthese Auch einsetzbar zur Analyse der Ausfallsicherheit zur Entwurfszeit Topologieoptimierung ReCoNets - Ch. Haubelt 17

18 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 Leitungsdetektion abgeleitet werden ReCoNets - Ch. Haubelt 18

19 Gliederung Motivation Ziele Arbeitsprogramm: Modellierung Analyse Synthese und Optimierung Implementierung Ausblick ReCoNets - Ch. Haubelt 19

20 Rerouting R 1 R 2 R 3 R 4 R R R R computeshortestpath() R 2 P C R 1 R 2 R 3 R 4 R R R R B 1 B 5 B 3 R 1 B 4 R 4 P S B 2 B 6 P A R 1 R 2 R 3 R 4 R R R R computeshortestpath() R 3 R 1 R 2 R 3 R 4 R R R R computeshortestpath() computeshortestpath() ReCoNets - Ch. Haubelt 20

21 Online-HW/SW-Partitionierung (1/2) Aber: Wohin soll ein Prozess migriert werden? Minimierung der Anzahl der zu rekonfigurierenden Knoten? R 1 P S Ausgeglichene Ressourcenauslastung? P C R 2 B 1 B 5 B 3 B 4 R 4 B 2 B 6 P A R 3 Minimierung der mittleren Kommunikationsstrecke? Soll ein Prozess nach der Migration in HW oder SW ausgeführt werden? Managmentfunktion zentral oder dezentral realisieren? ReCoNets - Ch. Haubelt 21

22 Online-HW/SW-Partitionierung (2/2) e(t) (α(t), β(t)) Repartitionierung (α (t), β (t)) Optimierung (α (t), β (t)) Ereignis e(t) bewirkt Allokationsänderung Repartitionierung bindet kritische Prozesse neu Optimierungsphase verteilt Prozesse neu Mögliche Zielgrößen: Flächenbedarf für Hardware- Prozesse je Knoten Anzahl der Prozesse pro Knoten ReCoNets - Ch. Haubelt 22

23 Gliederung Motivation Ziele Arbeitsprogramm: Modellierung Analyse Synthese und Optimierung Implementierung Ausblick ReCoNets - Ch. Haubelt 23

24 Implementierung ReCoNets - Ch. Haubelt 24

25 Excalibur-Board 1 MByte Flash Memory Configuration Controller 256 kbyte SRAM APEX FPGA: max. System Gates: max. RAM Bits: max. User I/Os: 382 ReCoNets - Ch. Haubelt 25

26 SoC-Realisierung Flash SRAM SRAM NIOS PBM CPU Timer PIO IRQ User Defined Hardware SPI ReCoNets - Ch. Haubelt 26

27 ReCoNets - Ch. Haubelt 27 Arbeitsplan (1/2) 20% 20% 30% 20% 80% 20% 20% 30% 50% 40% 20% 30% 40% 30% 20% 20% Implement. AP8 AP9 AP10 AP11 AP12 30% 30% 40% 30% 40% 30% 40% 40% 40% Synthese AP6 AP7 20% 20% 30% 20% 30% 20% 30% 20% 30% 40% 20% 40% Analyse AP3 AP4 AP5 40% 60% 40% 30% 60% 60% Modellierung AP1 AP2 Q8 Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1

28 Arbeitsplan (2/2) Modellierung AP1 AP2 Analyse AP3 AP4 AP5 Synthese AP6 AP7 Implement. AP8 AP9 AP10 AP11 AP12 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 60% Modellierung 60% zeitvarianter 40% Anwendungen und Architekturen Definition zeitvarianter 30% 60% Allokationen 40% und Bindungen 40% Analyse 40% von Spezifikationen mit zeitv. Allokation und Bindung Analyse 20% von 30% Ausfallsicherheit 30% 30% und Fehlertoleranz 30% 20% 20% Erkennung von Leitungs- 20% und Knotenstörungen 20% 20% und -ausfällen 40% Mechanismen 30% und 30% Zielfunktionen 30% zum Rerouting in ReCoNets 40% Algorithmen 40% zur 40% Online-Hardware/Software-Partitionierung 40% 30% Analyseverfahren zur Bestimmung der Ausfallsicherheit 20% 20% Routingverfahren bei fehlerhaften Leitungen 20% und 20% Knoten 20% Simulative Implementierung der Online-HW/SW-Partitionierung 20% 30% 30% 30% Aufbau des Demonstrators 20% 40% 50% 20% Test des Demonstrators an Beispielen 30% 40% 80% ReCoNets - Ch. Haubelt 28

29 Gliederung Motivation Ziele Arbeitsprogramm: Modellierung Analyse Synthese und Optimierung Implementierung Ausblick ReCoNets - Ch. Haubelt 29

30 Ausblick ( Phase) 1. Phase terminiert in einem ersten einfachen Prototypen: 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) ReCoNets - Ch. Haubelt 30

31 Ausblick (3. Phase) 3. Phase: Optimierung der Netztopologie Sicherheit und Zugang zu ReCoNets Echtzeitverhalten in ReCoNets ReCoNets - Ch. Haubelt 31