Session: 7 Rekonfigurierbare Co-Prozessoren für intelligente Gebäudesteuerungen (helectronics GmbH) 06. Juli 2016 Bielefeld.

Transkript

1 Session: 7 Rekonfigurierbare Co-Prozessoren für intelligente Gebäudesteuerungen (helectronics GmbH) 06. Juli 2016 Bielefeld

2 Agenda Abschlusspräsentation itsowl-tt-recopigs Einführung Zielsetzung Ergebnisse Resümee und Ausblick it s OWL Clustermanagement GmbH

3 Einführung Helectronics GmbH Helectronics GmbH Embedded Hard- und Software für intelligente technische Systeme Beratung, Entwicklung, Produktion und Schulung Firmensitz in Büren am Flughafen 9 Mitarbeiter, davon 4 Ingenieure Produkt- und Leistungsportfolio Eingebettete elektronische Steuerungen und Regelungen für Industrie 4.0 Automotive: Steuerungen für Nutzraftwagen Prüftechnik: Testsysteme für Airbag-Zündkapseln Gebäudetechnik: Schwarmvernetzte Leuchten it s OWL Clustermanagement GmbH

4 Einführung Universität Bielefeld Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie & Institut für Kognition und Robotik Interaktive Intelligente Systeme Mensch-Maschine Interaktion Maschinelles Lernen Mitarbeiter: > 280 Wissenschaftler AG Kognitronik und Sensorik Hardware und Software für eingebettete Systeme Ressourceneffiziente Mikroelektronik Anwendungsorientierte Systemintegration it s OWL Clustermanagement GmbH

5 Einführung Ausgangssituation für das Transferprojekt helectronics bietet Hardware-/Software-Lösungen für die Gebäudeautomatisierung Beispiel: Schwarmintelligente Leuchten-Steuerung Mikrocontroller basierte Steuerung zur Einbindung in die Gebäudesteuerung Kostengünstig und schnell realisierbar Starres System mit geringen Leistungsreserven Zukünftige, intelligente Gebäudesteuerungen erfordern alternative Architekturkonzepte it s OWL Clustermanagement GmbH

6 Agenda Abschlusspräsentation itsowl-tt-recopigs Einführung Zielsetzung Ergebnisse Resümee und Ausblick it s OWL Clustermanagement GmbH

7 Rekonfigurierbare Co-Prozessoren für intelligente Gebäude-Steuerungen Zielsetzung Systemkonzept für einen einfach adaptierbaren Steuerungsknoten mit Interconnect an gängige Busprotokolle Zentrale Merkmale der Systemarchitektur Flexibilität durch programmierbare und rekonfigurierbare Systemkomponenten Leistungsfähigkeit durch dedizierte Hardwarebeschleuniger Energieeffizienz durch effiziente Systemon-Chip Architektur Transfer des methodischen Ansatzes zur Konzeptionierung und Entwicklung rekonfigurierbarer Systeme it s OWL Clustermanagement GmbH

8 Vorgehensweise AP 1 Aufnahme des IST-Zustands Bewertung der Ressourceneffizienz der aktuellen System-Architektur Identifikation von Kernalgorithmen und Engpässen der Verarbeitung AP 2 Anforderungsanalyse der neuen Systemarchitektur Anforderungsanalyse für eine System-Architektur auf Basis von FPGAs Konzept zur Migration bestehender Softwarelösungen AP 3 Schulung am Produktbeispiel Entwicklung FPGA-basierter Systeme Partitionierung von Hardware und Software für System-on-Chip Systeme AP 4 Konzeptentwicklung und prototypische Umsetzung Systemkonzept für einen FPGA-basierten Bus-Koppler Prototypische Umsetzung FPGA: Field programmable Gate Array hochparallelisierbare, rekonfigurierbare mikroelektronische Bauelemente it s OWL Clustermanagement GmbH

9 Agenda Abschlusspräsentation itsowl-tt-recopigs Einführung Zielsetzung Ergebnisse Resümee und Ausblick it s OWL Clustermanagement GmbH

10 IST-Aufnahme Workshops zur IST-Aufnahme und Vorstellung neuer Technologien Präsentation der aktuellen Hardwareplattform Analyse des Funktionsumfangs der eingesetzten µc-plattform Erweiterbarkeit durch geringe Ausbaureserven begrenzt Diskussion möglicher Technologien für eine neue Systemarchitektur Ziel: Einsatz von FPGAs zur Hardwarebeschleunigung und Adaptierbarkeit der Verarbeitungseinheit (z.b. Austausch von Protokollen) Energieeffizienz ist ein wichtiger Aspekt bei der Auswahl der Plattform Plattform: Rekonfigurierbare System-on-Chip-Architekturen Enge Kopplung von FPGA-Logik und eingebetteten Prozessoren FPGA-Logik bietet hohes Potential zur ressourceneffizienten Partitionierung der Verarbeitung Anwendungsrelevante Marktanalyse muss durchgeführt werden it s OWL Clustermanagement GmbH

11 Systemanforderungen FPGA-basierter Bus-Koppler Anforderungen Universeller Bus-Koppler für die Gebäudeautomation Schnittstelle zwischen gängigen Protokollen Wiederverwendbarkeit bestehender Software-Lösungen Geringe Leistungsaufnahme der Verarbeitungseinheit Ausreichende Leistungsreserven Optionalen Speicher Pin-kompatibel innerhalb der FPGA-Familie Flexible Erweiterbarkeit Debug-Schnittstellen Sensor / Aktor / GLT RFM69W EnOcean Dali MODBus BLE IR Konfiguration / Entwicklung / Profiling Ethernet Interfaces DDR3 USB Cortex-M FPGA-Fabric H W - A C C (optional) Debug Parallel Function Unit Extension Slot it s OWL Clustermanagement GmbH

12 Ziel-Plattform Auswahl der Zielplattform Xilinx Zynq-7000 Serie (Dual-Core ARM Cortex-A9) zusätzliche Features (z.b. AES) hoher Energiebedarf hohe Stückkosten Ausschnitt FPGA-Markt Altera Cyclone V Serie (Dual-Core ARM Cortex-A9) hoher Energiebedarf hohe Stückkosten MicroSemi SmartFusion2 Serie (Single-Core ARM Cortex-M3) Preis-Leistungsverhältnis zusätzliche Features (z.b. AES) geringer Energiebedarf it s OWL Clustermanagement GmbH

13 Ziel-Plattform Microsemi Rekonfigurierbarer System-on-Chip SmartFusion2 Familie Footprint kompatible SoC FPGAs Single-Core ARM Cortex-M3, 166 MHz 5k 150k Logik-Elemente Flash-basierte Architektur Keine FPGA Konfiguration während des Systemstarts nötig Sehr geringe statische Verlustleistung Flash*Freeze Low Power Mode (1 mw) Integrierte Sicherheitsfeatures AES256, SHA256, RNG, ECC, PUF it s OWL Clustermanagement GmbH

14 Prototypische Implementierung PCB Design des FPGA-basierten Bus-Kopplers Merkmale Universeller Bus-Koppler für die Gebäudeautomation Schnittstelle zwischen gängigen Protokollen Leistungsaufnahme FPGA Standby: 3 mw typ. Szenario: 200 mw max.: 2,5 W Pin-Kompatibilität zwischen 5 SmartFusion2 FPGAs (M2S005 M2S090) Flexible Erweiterbarkeit durch optionalen Extension-Slot Konzeptionierung und PCB-Entwurf im Rahmen des Projektes durchgeführt it s OWL Clustermanagement GmbH

15 Prototypische Implementierung Schulungen: FPGA Design der Systemarchitektur Merkmale Wiederverwendbarkeit bestehender Software Lösungen erleichtert den Umstieg Geschlossener System-on-Chip Entwurfsablauf Setup des µc-systems Entwurf von FPGA-Fabric Logik in HDL oder Block-basiert Evaluation in Simulation Evaluation mit Smart-Fusion2 Development Kit Know How Transfer: Konzeptionierung und Entwicklung FPGA-basierter Systemarchitekturen it s OWL Clustermanagement GmbH

16 Agenda Abschlusspräsentation itsowl-tt-recopigs Einführung Zielsetzung Ergebnisse Resümee und Ausblick it s OWL Clustermanagement GmbH

17 Resümee und Ausblick Resümee Hybride Systemarchitektur erfolgreich entwickelt und prototypisch umgesetzt Systemplattform flexibel erweiterbar Hohe potentielle Leistungsfähigkeit aber umfangreiches interdisziplinäres Wissen in den Bereichen Softwareentwicklung, Hardwareentwicklung und Systemintegration notwendig Übertragbarkeit der Ergebnisse durch Maßnahmenkatalog und Tutorials gewährleistet Ausblick Systemarchitektur kann als Basis für die nächste Generation der schwarmintelligenten Leuchten- Steuerung dienen Integration weiterer Komfortfunktionen als IP- Kerne it s OWL Clustermanagement GmbH

18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!