DYNAMISCHE ARCHITEKTURADAPTION VON HARDWARE-AGENTENSYSTEMEN

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1 Institut für Technische Informatik Fakultät Informatik, Professur für VLSI-Entwurfssysteme, Diagnostik und Architektur DYNAMISCHE ARCHITEKTURADAPTION VON HARDWARE-AGENTENSYSTEMEN Diplomverteidigung Marcel Naggatz Dresden, 4. Juni 2008

2 Inhalt Einleitung Systemkonzept für HW-Agentensysteme Implementation Zusammenfassung TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 2 von 24

3 Einleitung Systemkonzept für HW-Agentensysteme Implementation Zusammenfassung TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 3 von 24

4 Aufgabenstellung Ausgehend von einer gegebenen statischen HW-Agentenarchitektur war diese so zu ergänzen, dass eine Laufzeitanpassung von HW-Agenten auf FPGAs möglich ist. Zur Lösung der Aufgabe wurden folgende Schwerpunkte bearbeitet: 1. Einarbeitung in die Aufgabenstellung und Literaturstudium zu Möglichkeiten der adaptiven Anpassung von Agentensystemen. 2. Konzeption einer adaptiven HW-Agentenarchitektur und Zusammenstellung notwendiger SW-Werkzeuge und Entwurfsabläufe. 3. Entwurf einer adaptiven HW-Agentenarchitektur und Entwicklung zugehöriger Systemschnittstellen. 4. Erstellung von Anwendungsszenarien zur Validation des entwickelten Architekturansatzes und deren Test. 5. Untersuchungen zu Anwendungsszenarien und Darstellung der Ergebnisse. Dokumentation der Implementierungen. TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 4 von 24

5 Agentensystem Definition An agent is a computer system that is situated in some environment, and that is capable of autonomous action in this environment in order to meet its design objectives.[1] Sensoren Effektoren Agent Umgebung Wahrnehmung Interface Aktionen Ein Agent muss vier Haupteigenschaften erfüllen: Autonomie Reaktivität Interaktivität Proaktivität TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 5 von 24

6 Hardware-Agentensysteme Agentensysteme sind durch die SW-Technologie bekannt und werden zur Umsetzung von Netzwerk- und Web-Services im Bereich von E-Commerce, Informations-Suche/Filter, Multi-Agent Simulation genutzt. Die Agenten-Eigenschaften sowie KI und Self-X Eigenschaften (Organic Computing) unterscheiden Agentensysteme von herkömmlichen Systemen. Anforderungen für die Implementation zukünftiger informationsverarbeitender Systeme sind Flexibilität, Anpassungsfähigkeit und Ausfallsicherheit. Ziele: Bereitstellung einer adaptiven HW-Architektur für HW-Agentensysteme in eingebetteten Systemplattformen, ausgestattet mit Eigenschaften der Agenten und zusätzlichen Möglichkeiten zur dynamischen Anpassung. TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 6 von 24

7 Anwendungen für Hardware-Agentensysteme Mobile Roboter Automobilindustrie HW-Agent Gebäudeautomatisierung Netzwerke Produktionsanlagen TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 7 von 24

9 Systemadaption Zugriff auf wiederverwendbare Systemkomponenten durch Agenten-Managementsystem (amsys) [2]. Zusammenstellung der initialen Konfiguration des HW-Agentensystems. Konfiguration der initialen HW-Agentenplattform. Konfiguration der initialen SW der partiellen Module. Start HW-Agent. Anpassung der HW-Agentenplattform (HW: statisch/partiell; SW) an neue Anforderungen. build new Agent Model Builder (Xilinx DF) load HW load SW Reuse DB Configure HW Agent Download HW Agent (static/partial) Configure Agent SW HW Agent work no yes new HW Agent? requirements TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 9 von 24

10 Plattformunabhängige Implementation physical levels functional layers interface level processing level functional level configurable communication interaface board application operating static modules communication PR-Region 1 PRR layer PR-Region 2 PRR layer... PR-Region N board layer application layer operating layer - static - PRR layer operating layer - dynamic - board interface application interface operating interface PRR interface TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 10 von 24

11 Dynamisch adaptive HW-Architektur IO-Pins FPGA static area partial reconfigurable modules PRM 1 PRM 2 control unit PRM 3... external configuration interface PRM N TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 11 von 24

13 HW-Systemkonzept Basierend auf den vorgestellten Konzepten wurde ein dynamisch adaptiver HW-Entwurf implementiert. Dieser befindet sich auf einem FPGA, der wiederum aus einem statisch-rekonfigurierbaren und einem dynamisch-rekonfigurierbaren Bereich besteht. Kann durch generische Einstellungen und dem modularen Aufbau für unterschiedliche Einsätze angepasst werden. Erlaubt die Anpassung und Veränderung der Architekturkomponenten zur Laufzeit des Systems. Die Anpassung des HW-Agentensystems wird extern gesteuert (Mikro). TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 13 von 24

14 Adaptive HW-Agentenarchitektur FPGA static area pr region IO-Pins external configuration module connector IO component control unit priority control config control shared memory network PRR 1 PRR 2 PRR 3... PRR N TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 14 von 24

15 Ausgewählte Architekturkomponenten arbiter PRM other components KE connector arbiter combinatorial set PRM KE connector BRAM Shared Memory Prioritätskontrolle Kommunikationsspeicher arbiter KE connector external micro FPGA static exchangeable PRM timer KE connector address FIFO timer address decoder PRM crossbar switch IO components Tristate-Buffer UART Verbindungsnetzwerk IO-Verbindungskomponente TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 15 von 24

16 IO-Verbindungskomponente Jedes PR-Modul muss die Möglichkeit besitzen, sich mit allen zur Verfügung stehenden IO-Peripherien zu verbinden. Die Besonderheiten einer Rekonfiguration müssen berücksichtigt werden. Das System darf nach einer Rekonfiguration nicht blockieren. Während einer Rekonfiguration müssen alle anderen PR-Module vollen Zugriff auf die IO-Pripherie besitzen. TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 16 von 24

17 IO-Verbindungskomponente connector KE external micro FPGA static exchangeable PRM crossbar switch IO components Tristate-Buffer UART RX TX TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 17 von 24

18 Portierbarkeit board interface application interface operating interface PRR interface board application operating static modules board layer application layer operating layer - static - communication PRR layer PRR layer PRR layer PR-Region 1 PR-Region 2... PR-Region N operating layer - dynamic - local connection functional layers configurable communication interaface TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 18 von 24

21 Anpassung des Digitalen Clock-Managers board interface application interface operating interface board layer board application layer application operating layer clock FPGA reset EXTERN CRM clock 100MHz clock 75 MHz clock 50 MHz clock 5 MHz clock 1 MHz reset_l functional layers physical levels interface level functional level processing level Xilinx Clocking Wizard DCM functional wrapper hardware wrapper TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 19 von 24

22 Anpassung des Digitalen Clock-Managers board interface application interface operating interface board layer board application layer application operating layer clock FPGA reset EXTERN CRM clock 100MHz clock 75 MHz clock 50 MHz clock 5 MHz clock 1 MHz reset_l functional layers physical levels interface level functional level processing level Xilinx Clocking Wizard DCM functional wrapper hardware wrapper TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 19 von 24

23 Austausch der Busmakros board interface application interface operating interface PRM interface board layer application layer operating layer board application KE PRM PRM layer static area functional level functional wrapper functional layers physical levels interface level processing level busmacro hardware wrapper - static - - dynamic - configurable communication interaface TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 20 von 24

24 Austausch der Busmakros board interface application interface operating interface PRM interface board layer application layer operating layer board application KE PRM PRM layer static area functional level functional wrapper functional layers physical levels interface level processing level busmacro hardware wrapper - static - - dynamic - configurable communication interaface TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 20 von 24

25 Ressourcenverbrauch für einen Virtex-II Pro [3] Logic Utilization PRR used resources/area # of Slices 1177 / 8% 1675 / 12% 2166 / 15% 4581 / 33% # of FlipFlops 924 / 3% 1223 / 4% 1381 / 5% 2175 / 7% # of 4 input LUTs 2108 / 7% 3020 / 11% 3908 / 14% 8507 / 31% # of BRAM 4 / 2% 5 / 3% 6 / 4% 10 / 7% TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 21 von 24

27 Zusammenfassung In einem Literaturstudium wurden verschiedene Arbeiten und Entwicklungsstände zum Thema partieller Rekonfiguration und Agentensysteme zusammengetragen. Die Basis der Umsetzung bildet ein partiell rekonfigurierbarer Logikbaustein. Es wurde die Implementation eines dynamisch adaptiven HW-Agentenarchitekturkonzepts vorgestellt. Der HW-Agentenarchitektur dient ein allgemein anwendbares Schichtenmodell als Grundlage zur Gewährleistung der Portabilität. Es wurden spezifische Architekturkomponenten implementiert, die das Grundgerüst der adaptiven HW-Architektur bilden. Der Entwurf kann flexibel auf unterschiedliche Anforderungen angepasst werden. Die Portierbarkeit wurde für zwei verschiedene FPGA-Versionen nachgewiesen. TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 23 von 24

28 Literatur JENNINGS, N. R. ; WOOLDRIDGE, M. J.: Software Agents. In: IEE Review (1996), S SCHNEIDER, J. ; NAGGATZ, M. ; SCHMUTZLER, T. ; SPALLEK, R. G.: Implementation von Architekturkonzepten für HW-Agentensysteme / Dresdner Arbeitstagung Schaltungs- und Systementwurf Forschungsbericht XILINX: Virtex-II Pro and Virtex-II Pro X Platform FPGAs: Complete Data Sheet. v sheets/ds083.pdf, November 2007 TU Dresden, 4. Juni 2008 Dynamische Architekturadaption Folie 24 von 24