Operating System Design for Partially Reconfigurable Logic Devices

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1 Diss. ETH No Operating System Design for Partially Reconfigurable Logic Devices A dissertation submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY (ETH) ZURICH for the degree of DOCTOR OF TECHNICAL SCIENCES (DR. sc. TECHN.) presented by HERBERT H. WALDER DIPL. EL.-ING. ETH born 3rd April 1969 citizen of Egg/Zurich, Switzerland accepted on the recommendation of Prof. Dr. Lothar Thiele, examiner Prof. Dr. Jürgen Becker, co-examiner Prof. Dr. Marco Platzner, co-examiner 2005

2 Abstract ix Abstract The logic capacity of current SRAM-based FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) amounts to multiple times the size of coarse-grained circuits, such as AR-filters, spectral transformations (FFTs, DCTs), and crypto- or multimedia codees. Furthermore, modem FPGAs are partially reconfigurable; i.e., parts of the FPGA area can be altered during run-time, while other parts not involved in the reconfiguration process continue to operate in parallel. These characteristics allow for novel use offpgas as subcomponents in embedded systems: Several independent logic circuits (so-called hardware tasks) can be loaded, executed, and removed again after completion, whereas subsequent hardware tasks can reuse the same resources. Due to these properties, an FPGA becomes a dynamically allocatable resource. In this dissertation, a novel kind ofoperating system, a Reconfigurable Hardware Operating System (RHWOS) is proposed that meets thefollowing requirements: make available the reconfigurable resources of an FPGA to several appiications, using a well-defined interface, manage the limited resources in an efficient way, in order to ensure a high utilization of the FPGA, and hide the complexity of the management and reconfiguration functions from the user applications. An RHWOS can be seen as an extension of a Real-Time Operating System (RTOS), that additionally manages an FPGA as adynamie system resource and executes both software and hardware tasks, In this way, an RHWOS is in a position to exploit the advantages oftask implementations in software or in hardware. The realization of an RHWOS reveals a variety of novel problem areas in a conceptual and algorithmic context, as well as on a technological level. This work addresses all of these aspects. For a number of RHWOS-typical problems, several solutions were developed, implemented and experimentally evaluated. RHWOS Concepts On a conceptual and technology-independent level, the internal structure of an RHWOS is investigated, functional modules are identified and the interaction ofthe modules is explained. As a result, a complete design-concept for the development of RHWOSdriven applications is introduced and a run-time environment with an exemplary partitioning of its modules in hardware and software, respectively, is proposed. The run-time environment defines dedicated interface points between the RHWOS and hardware tasks and supports their partial reconfiguration.

3 x Abstract RHWOS Algorithms Some ofthe task and resource management algorithms in an RHWOS strongly differ from those employed in an RTOS. The run-time placement of hardware tasks in combination with real-time scheduling is identified as the main problem in an RHWOS from an algorithrnic point of view. Several variants of heuristic algorithms that solve this problem are presented. All algorithms were experimentally evaluated in terms of time- and spaceefficiency. RHWOS Prototype The implementation of an RHWOS and a case study application based on CUITent FPGA technology and development tools is also addressed in this work. The main components of an RHWOS were successfully implemented and tested on a tailored prototyping platform, the XF-BoARD. The run-time environment provides a bus-structure for enabling inter-task communication and supports partial reconfiguration oftasks with variable sizes. By means of a case study application from the real-time signal-processing domain, the practicability of an RHWOS based on CUITent FPGA technology is proved.

4 xii Kurzfassung Kurzfassung Die Logikkapazität heutiger SRAM-basierter FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) übersteigt um ein Vielfaches die Grösse von grobgranularen Schaltungsblöcken, wie Z.B. FIR-Filter, Spektraltransformationen (FFf, DCT), Kryptooder Multimedia-KodiererlDekodierer. Zudem lassen sich moderne FPGAs partiell rekonfigurieren; d.h., einzelne Teilbereiche können zur Laufzeit gezielt verändert werden, während die von der Rekonfiguration nicht betroffenenschaltungen parallel dazu weiterarbeiten. Diese Eigenschaften eröffnen neue Einsatzmöglichkeiten von FPGAs als Subkomponenten in eingebetteten Systemen: Mehrere voneinander unabhängige Schaltungsblöcke (sog. Hardware-Tasks) können zur Laufzeit in ein FPGA geladen, ausgeführt und wieder entfernt werden, während nachfolgende Hardware Tasks die freigewordenen Bereiche wiederverwenden. In dieser Dissertation wird ein neuartiges Betriebssystem, ein Reconfigurable Hardware Operating System (RHWOS), vorgeschlagen, dessen Aufgabe es ist, die rekonfigurierbaren Ressourcen eines FPGAs gleichzeitigmehrerenapplikationen mittels definierten Schnittstellen verfügbar zu machen, die begrenztenressourcen effizient zu verwalten, um einen möglichsthohen Auslastungsgrad des FPGAs zu erreichen, sowie die Komplexität der benötigten Rekonfigurations- und Verwaltungsvorgänge von den Applikationen fernzuhalten. Ein RHWOS kann als Erweiterung eines Real-Time Operating Systems (RTOS) angesehen werden, das ein FPGA als zusätzliche dynamische System-Ressource verwaltet und neben Software-Tasks auch Hardware- Tasks ausführt. Somit ist ein RHWOS in der Lage, die spezifischen Vorteile von Task-Implementationen in Software oder in Hardware auszuschöpfen. Bei der Realisierung eines RHWOS treten verschiedene neuartige Problembereiche auf, sowohl in konzeptioneller und algorithmischer, als auch in technologischer Hinsicht. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit allen drei Aspekten, indem für ausgewählte RHWOS-typische Problemstellungen verschiedene Lösungen entwickelt, implementiert und evaluiert werden. RHWOS-Konzepte Aufeinerkonzeptionellen und technologie-neutralen Ebene wird untersucht, in welche funktionale Blöcke sich ein RHWOS zur Kompilations- und Laufzeit gliedert und in welcher Weise diese interagieren. Als Resultat wird ein durchgängiges Design-Konzept für die Entwicklung von RHWOS-gesteuerten Applikationen beschrieben und eine strukturierte Laufzeitumgebung mit einer exemplarischen. Partitionierung der einzelnen

5 Kurzfassung xiii Komponenten in Hardware bzw. Software vorgeschlagen. Die Laufzeitumgebung definiert die Interaktionspunkte zwischen RHWOS und Hardware Tasks und unterstützt deren dynamisch-partielle Rekonfiguration. RHWOS.AIgorithmen Einige Algorithmen im Bereich der Task- und Ressourcen-Verwaltung eines RHWOS weisen erhebliche Unterschiede zu denjenigen eines RTOS auf. Die Laufzeit-Platzierung von Hardware-Tasks in Kombination mit zeitkritischer Ablaufplanung wurde als zentrales und RHWOS-typisches Problem identifiziert. Verschiedene Varianten von heuristischen Verfahren und Algorithmen zur zeit- und speichereffizienten Lösung dieses Problems werden vorgestellt und mittels Simulationen bewertet. RHWOS-Prototyp Die Realisierung eines RHWOS und einer Beispiel-Applikation, basierend auf heute kommerziell erhältlichen FPGAs und Entwicklungswerkzeugen ist ein weiterer Gegenstand dieser Arbeit. Auf einer eigens dafür entwickelten Plattform, dem XF-BoARD, wurden die Hauptkomponenten eines RHWOS entwickelt. Die im FPGA implementierte LaufzeitumgebungstellteineBusstrukturzur Inter-Task-Kommunikationbereit und ermöglicht die partielle Laufzeit-Konfiguration von Hardware-Tasks mit variablen Grossen. Mit Hilfe einer Beispiel-Applikation aus dem Bereich der Echtzeit-Signalverarbeitung wird die Realisierbarkeit eines RHWOS mit heute zur Verfügung stehender FPGA-Technologie unter Beweis gestellt.