HW vs. SW ein erster Vergleich

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1 HW vs. SW ein erster Vergleich HW/SW-Codesign Daniel Haslauer Vortrag Florian Wagner Mitschrift 1 Definition - Was ist Hard- und Software? Eine wirklich reine Hardware- und eine reine Softwarelösung gibt es praktisch nicht. Auf Switches läuft eine Software und eine Software braucht eine Hardware auf der sie läuft. Zudem kann man eine Software auf verschiedenen Abstraktionsebenen betrachten. Sie kann hardwarenah (z.b. in C) geschrieben sein und eine benötigt Kenntnisse der Hardware, andere Programmiersprachen setzten auf einer höheren Ebene an. Als eine reine Softwarelösung kann man ein Programm bezeichnen, das auf verschiedenen Standard- Prozessoren läuft. Sinnvoller ist es, wenn man die Schnittstelle zwischen Hardware und Software in einem System betrachtet. Gewisse Aufgaben können in Software oder in Hardware gelöst werden. Ob ein Task in Hardware oder Software umgesetzt wird hängt von verschiedenen Faktoren ab, die in Tabelle 1 tabellarisch zusammengefasst sind. hardwarelike Performance Energieeffizienz softwarelike Handling von hoher Komplexität Senkung von Designkosten Tabelle 1: Vergleich HW vs. SW 2 Partitioning - HW/SW-Codesign Hardware/Software Co-Design is the design of cooperating hardware components and software components in a single design effort. Patrick Schaumont, A Practical Introduction to Hardware/Software Codesign 1

2 Beim HW/SW-Codesign ist großes Wissen über Hardware als auch Software im Designprozess notwendig, auch wenn man als Entwickler nur in einen Teilbereich tätig ist. Ein wichtiger Teil des Designprozesses ist das Partitioning, die Einteilung welcher Teil des Systems in HW und welcher in SW umgesetzt wird. 2.1 Rolle des FPGA Ein FPGA ermöglicht bzw. unterstützt das HW/SW-Codesign. Ein FPGA kann im Vergleich zu einem ASIC nur mit geringeren Taktraten betrieben werden und benötigt mehr Fläche und mehr Leistung. Auf der anderen Seite können der Mikroprozessor und der Custom Prozessor schnell auf geprüftem Silizium implementiert werden. Dabei wird das Designrisiko gesenkt und der FPGA kann schnell rekonfiguriert werden. 2.2 Partitioning Das Partitioning muss zu einem guten Teil manuell erfolgen. Man kann eine Problemstellung derzeit von keinem Algorithmus automatisch in einen Hardware- und einen Softwareteil aufteilen lassen. Es gibt diverse unterstützende Programme, eine komplette Automatisierung dieser Aufgabe ist seit 25 Jahren Gegenstand der Forschung. 3 HW vs. SW - Entwurf 3.1 Unterschiede Die Unterschiede in der Entwicklung von Hardware und Software sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Hardware Träge Nach der Produktion schwer anpassbar Kostenkurve steigt stark Viele Testcases Software Flexibilität Ständige Anpassung möglich Kostenkurve flach Noch mehr Testcases Tabelle 2: Vergleich HW vs. SW 3.2 Gemeinsamkeiten Beim Hardware- und Softwareentwurf kann man auch Gemeinsamkeiten feststellen. Erfassen und Simulieren Grobe Blockstruktur = Spezifikation Verfeinerung 2

3 HW: Logik/Transistor Diagramme SW: Assembler Simulation, Emulation, Validierung 3.3 Tools Grundsätzlich sind Tools zur Hard- als auch Softwareentwicklung kostenlos erhältlich, professionelle Tools kosten etwas. Mit den kostenlosen Softwaretools kommt man auch im professionellen Umfeld gut zurecht. Bei der High-End-Hardwareentwicklung greift man auf die kostenpflichtigen Tools der FPGA-Entwickler zurück die passend zu ihren Chips Entwicklungssoftware anbieten. Diese Tools sind deutlich teuer als vergleichbare Tools zur Softwareentewicklung. 4 FPGA vs. ASIC Ab einer Stückzahl von Stück sind die Stückkosten beim ASIC niedriger als beim FPGA (siehe Abbildung 1). Abbildung 1: Stückkostenvergleich FPGA vs. ASIC (Quelle: anysilicon.com) 3

4 5 Jobanforderungen - Embedded Systems Eine schnelle (nicht repräsentative) Recherche zeigt, dass Jobs im Embedded Systems - Bereich vor allem die folgenden Skills benötigen. Englisch, Teamfähigkeit: Embedded Systems werden durch große internationale Teams entwickelt C bzw. ANSI-C (Verifizierbarkeit) Standards, Protokolle Wissen über Hardware als auch Software Im Konkreten sind natürlich auch Spezialfähigkeiten gefragt. 6 Maintenance Ein wichtiger Aspekt beim Entwickeln von Hardware und Software ist die Wartbarkeit (Maintenance). Wie ein System gewartet werden kann hängt von verschiedenen Faktoren wie Systemumgebung, Zugriffsmöglichkeiten, Einsatzgebiet, Alterung und Laufzeitverhalten ab. 6.1 Tracing Eine Möglichkeit ein System zu warten ist Tracing. Hier wird das Systemverhalten zur Laufzeit beobachtet und Daten werden gesammelt. Anschließend werden diese Daten aufwändig analysiert. Tracing ist sowohl in Hardware als auch Software realisierbar. Das Tracing kann in drei Teilschritte unterteilt werden Instrumentierung (Tracingfunktion integrieren) Tracing (Speicherung der Daten) Analyse (Datenübertragung, Auswertung, geschieht offline) 7 Vorteile von HW und SW 7.1 Diskussion Bei der Diskussion, wo die Vorteile von Hardware- bzw. Softwarelösungen liegen, konnte man sich auf folgende Punkte einigen: Timing constraints Zum Erreichen von Zeitvorgaben ist die Hardwarelösung besser, hier wird tatsächlich mit einzelnen Takten gearbeitet. 4

5 7.1.2 Echtzeitverhalten Siehe timing contraints. Bei einer Hardwarelösung können Ereignisse besser gezielt zu bestimmten Zeitpunkten ausgelöst werden Wiederverwendbarkeit Hier liegt der Vorteil eher bei der Softwarelösung. Der Code wird einfach kopiert. Aber auch HW-Code wie VHDL oder Verilog kann kopiert werden. Eine andere Betrachtung der Wiederverwendbarkeit: Eine reine Softwarelösung (bspw. in Java) kann auf verschiedenen Systemen laufen. Grundsätzlich muss ein Code - ob HW- oder SW-Code - eine gewisse Qualität (Dokumentation) und einen gewissen Stil aufweisen um wiederverwendbar zu sein Tools Die Tools sind bei der Softwareentwicklung grundsätzlich günstiger, für kleine Hardwareentwicklungen sind Gratis-Tools aber ausreichend Security Hier herrschte Uneinigkeit bei den Diskussionsteilnehmern. Für Softwarelösungen gibt es Protokolle und Anleitungen um eine Software sicher zu entwickeln und vor böswilligen Angriffen zu schützen. Etwaige Security-Lücken können mit Updates gefixt werden. Mit einer Hardware kann nicht so leicht von außen interagiert werden und das Verhalten manipuliert werden. Findet sich in der Hardware trotzdem eine Security-Lücke so kann man diese nicht oder nur sehr schwer schließen. 7.2 Beispiel CRC Ein Cyclic Redundancy Check ist leichter in Hardware zu implementieren. HW: Schieberegister + XOR Operationen Leichte Implementierung Hohe Geschwindigkeit SW: Bit Maskierungen, Shifts, XOR Operationen,... Schwierigere Implementierung Teurer Overhead 7.3 Beispiel IP Paket Fragmentierung Die IP Paket Fragmentierung ist in Software leicht zu implementieren. 5

6 HW: Sehr große Anzahl von States Hohe Komplexität Hoher Platzbedarf Aufwändige Verifikation SW: Viele Verzweigungen Bessere Übersicht Geringere Entwicklungszeit 6