Mikrocontrollergestützte Selbstorganisationsprinzipien rekonfigurierbarer Rechnersysteme am Beispiel der Xilinx FPGA-Architektur

Transkript

1 iplomarbit Vortrag zum iplom Mikrocontrollrgstützt Slbstorganisationsprinzipin rkonfigurirbarr Rchnrsystm am Bispil dr Xilinx FPGA-Architktur Falk Nidrlin 1 nstitut für chnisch nformatik

2 Glidrung 1. Motivation 2. Grundlagn 3. Lösungsansätz 4. Stand dr Arbitn 5. Zusammnfassung 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 2/18

3 Motivation mplmntirung von Mthodn, wlch di Entwicklung von Systmn rmöglichn, di slbstorganisirnd Eignschaftn bsitzn Zil dr Slbstorganisation ist, in sich slbst vrwaltnds und ausführnds Systm Anwndung dr Prinzipin ds Organic omputing zur Ralisirung dr Slbstorganisation Entwicklung von Mthodn, wlch di Möglichkit dr ntgration von Slbstorganisationprinzipin in zukünftign Agntnsystmn rlaubn Einsatzgbit: Gbäud-Automation Fahrzugtchnik Robotik Mdizintchnik 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 3/18

4 Motivation i Prinzipin dr Slbstorganisation solln in disr Arbit umgstzt wrdn Spätr Anwndbarkit in HW-Agntn, z.b. bsthnd aus Mikrocontrollr und FPGA Mikrocontrollr: Vrwaltung/Schduling FPGA: Hardwar- Bschlunigung r Mikrocontrollr übrnimmt di Konfiguration ds FPGAs (übr JAG-Schnittstll; Ersatz ds Parallln Programmirkabls) Übr di Ntzwrk-Schnittstll ds Mikrocontrollrs könnn Konfigurations-atin bschafft wrdn FPGA führt di rchnintnsiv Anwndung aus Wlch Vortil? flxibl ausfallsichr listungsfähig 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 4/18

5 Grundlagn Agntn Agntn sind autonom Systm, di komplx Aufgabn slbständig lösn könnn Man untrschidt zwischn Softwar- und Hardwar-Agntn SW-Agnt: nformationsbschaffung, Buchungssystm HW-Agnt: klassischr Robotr, intllignts ingbttts Systm Gminsam Eignschaftn: autonom, zilorintirt, raktiv, proaktiv, sozial, mobil und lrnnd Hauptuntrschid ntsthn durch untrschidlich Wltn und untrschidlich ntraktionsmöglichkitn SW-Agnt: virtull Wlt; ntraktion durch nformationn HW-Agnt: physisch Wlt; Snsorn Aktorn Zusätzlich zu dr Hardwarsit, bnötigt dr HW-Agnt, für di Umstzung dr Agntn-Eignschaftn Softwar 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 5/18

6 Grundlagn Organic omputing st in nur Ansatz für in (Slbst-) Organisationsprinzip Hat di Natur als Vorbild, mit dm Zil biologisch Prozss zu vrsthn und auf tchnisch Systm zu übrtragn Lbwsn könnn sich wchslndn Bdingungn anpassn, ohn dass sich ihr Funktionalität ändrt Ein organischr omputr ist als in slbst-organisirnds Systm dfinirt, das sich dn jwilign Umgbungsbdürfnissn dynamisch anpasst Gsllschaft für nformatik.v. Slf-x-Eignschaftn: slbst-konfigurirnd, slbstoptimirnd, slbst-hilnd, slbst-rklärnd und slbstschütznd i dn und Konzpt ds Os glichn somit in vilr Hinsicht dnn dr agntnbasirtn Systm Kombination 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 6/18

7 Grundlagn HW-Untrstützung für Slbstorganisation FPGA ist il ds Agntn (HW-Bschlunigung) FPGA stllt di Eignschaft dr Rkonfiguration zur Vrfügung i FPGAs dr Firma Xilinx basirn auf SRAM-chnologi und sind dadurch rkonfigurirbar Statisch und dynamisch Rkonfiguration instzn (R-) Konfiguration kann übr untrschidlich Schnittstlln rfolgn i (R-) Konfiguration übr di JAG-Schnittstll ist di Univrsllst urch Rkonfigurirbarkit ds FPGAs rhält dr Agnt in nstrumnt zur Vrwirklichung dr Slbstorganisation 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 7/18

8 Grundlagn HW-Untrstützung für Slbstorganisation JAG (Joint st Action Group) bzw. Boundary-Scan ist in bkannts stvrfahrn und hut auch in Schnittstll für di bqum Konfiguration von PLs xtrn Logik wird vrwndt, um di JAG-Pins anzusturn i atn wrdn srill ausgtauscht All JAG-Oprationn wrdn übr di Pins ds st-accss- Port (AP) kontrollirt, bsthnd aus vir obligatorischn Pins (, O, MS, K) i vir AP-Pins kontrollirn, untr Anwndung ds AP- ontrollrs, wi di Bfhl bzw. atn in di vrschidnn Rgistr inglsn wrdn r AP-ontrollr ist in Sturautomat mit 16 Zuständn 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 8/18

9 Grundlagn HW-Untrstützung für Slbstorganisation 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 9/18

10 Lösungsansätz Übrblick HW-Agnt stzt Slbstorganisationsprinzipin um Mikrocontrollr vrwaltt FPGA FPGA ist HW-Untrstützung für vrschidn Aufgabn Agnt ist ntzwrkfähig 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 10/18

11 Lösungsansätz JAG-Schnittstll i Konfiguration wird durch Bfhl gsturt, di in das Bfhlsrgistr gladn wrdn i JAG-Konfiguration bdarf dr Konvrtirung dr Bitstram-ati in das SVF- und XSVF-Format as SVF-atiformat ist in industrillr Standard und wird bnutzt, um di JAG-Bfhl in in kompakt und portabl Form zu bringn as Format übrführt hrstllr- und baustinspzifisch Abwichungn in allgmin SVF-Bfhl as XSVF-Format ist di kompakt und binär Form ds SVF- Formats, optimirt für Xilinx-FPGAs 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 11/18

12 Lösungsansätz Schduling as Schduling sturt dn Ablauf ds Agntn as Schduling übrnimmt dr Mikrocontrollr as Schduling umfasst inrsits di Vrwaltung dr Konfigurationsdatin und andrrsits di Rkonfiguration ds FPGAs mit dr ntsprchndn ati Bispilswis holt sich dr M Konfigurationsdatin aus dm Ntzwrk und spichrt si lokal ab, abr ntschidt auch, mit wlchm Modul dr FPGAs rkonfigurirt wrdn soll Ablauf kann durch inn Graphn visualisirt wrdn Untr Brücksichtigung ds Organic omputing soll in Graph mit nuronaln Eignschaftn ntsthn 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 12/18

13 Lösungsansätz Schduling Ein Mculloch-Pitts-Zll ist in von Warrn Mculloch und Waltr Pitts im Jahr 1943 vorgschlagns Nuronnmodll Bid wolltn in vrinfachts Modll ralr Vorgäng in nuronaln Strukturn ntwrfn as Mculloch-Pitts-Nuronnmodll ist das infachst Nuronnmodll dr Nuroinformatik übrhaupt as nuronal Ntz aus disn Zlln kann ausschlißlich binär Signal vrwndn Ein Mculloch-Pitts-Zll bsitzt n rrgndn Eingangslitungn und m hmmndn Eingangslitungn Ein rrgnds und in hmmnds Eingangssignal hbn sich auf Übriggblibn Eingangssignal wrdn aufsummirt und mit dr Schwll Θ vrglichn; st di Summ dr Errgungn größr als Θ gibt das Nuron 1, ansonstn 0 zurück 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 13/18

14 Stand dr Arbitn Ablauf dr FPGA-Rkonfiguration Erstlln mit impa Brücksichtigung von JAG-lock-Option Baustinspzifisch ati in allgmin Form bringn Mit impa odr svf2xsvf Vom AS- in binär-format Konfigurationsdati auf dn lokaln Spichr ds Mikrocontrollrs ablgn Mikrokontrollr organisirt ownload 1 nstitut für chnisch nformatik -Programm Foli 14/18

15 Stand dr Arbitn JAG-Konfigurations-Sqnz i (R-) Konfiguration lässt sich grob in dri Abschnitt intiln. 2.Spichr lrn/shutdown- Squnz 2. 3.Konfigurations-atn in dn Spichr ladn 4.Logik aktivirn mittls inr Start-Up-Squnz 3. 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 15/18

16 Stand dr Arbitn -Ablaufgraph 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 16/18

17 Stand dr Arbitn Litraturstudium Agntn Organic omputing Rkonfigurationsprinzipin von Xilinx-FPGAs Graphnthori für di Ablaufsturung Einarbitung in di Prototypingplattform von AMEL und di Entwicklungsumgbungn impa, WinAVR und AVRStudio Einarbitung in Qulltxt Aktull mplmntationsarbitn btrffn das Programm zur Rkonfiguration ds FPGAs übr JAG Erstllung dr schriftlichn Arbit 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 17/18

18 Zusammnfassung Zil: Entwicklung von Mthodn für di Slbstorganisation Mikrocontrollrbasirts Managmnt dr Agntn-HW mplmntirung dr Softwar zur Rkonfiguration und ds Schdulings Bispil und Sznarin zur monstration dr mikrocontrollrgstütztn Anpassungsfähigkit rkonfigurirbarr Hardwar findn Auswrtung dr Ergbniss 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 18/18