ReCoNets - Lehrstuhl für Informatik 12

ReCoNets –
Entwurfsmethodik für eingebettete Systeme
bestehend aus kleinen Netzwerken
hardwarerekonfigurierbarer Knoten und
-verbindungen
Ch. Haubelt, D. Koch, T. Streichert, J. Teich
Hardware-Software-Co-Design
Universität Erlangen-Nürnberg
{haubelt, dirk.koch, streichert, teich}@informatik.uni-erlangen.de
Einführungskolloquium zum DFG-Schwerpunktprogramm „Rekonfigurierbare Rechensysteme“
12. – 13. Juni 2003, DaimlerChrysler AG, Stuttgart
Gliederung
Motivation
Ziele
Arbeitsprogramm:
Modellierung
Analyse
Synthese und Optimierung
Implementierung
Ausblick
DFG-SPP 1148 „Rekonfigurierbare Rechensysteme“
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2
Gliederung
Motivation
Ziele
Arbeitsprogramm:
Modellierung
Analyse
Synthese und Optimierung
Implementierung
Ausblick
DFG-SPP 1148 „Rekonfigurierbare Rechensysteme“
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Beispiel: Automobil
Quelle: DaimlerChrysler AG
Beispiele: Antriebsstrang, Komfort, Anzeigesysteme,
Telematik, Diagnose, Diebstahlschutz, zukünftige
Fahrfunktionen
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Beispiel: Body-Area-Netzwerke
geographisch feste Knoten
hohe Spezialisiertheit
schlechte
Ressourcenauslastung
kaum Flexibilität
geringe Ausfallsicherheit
…
Quelle: Fraunhofer Gesellschaft
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Gliederung
Motivation
Ziele
Arbeitsprogramm:
Modellierung
Analyse
Synthese und Optimierung
Implementierung
Ausblick
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Ziele (1/4)
Entwurfsmethodik für eingebettete Systeme bestehend
aus kleinen Netzwerken hardwarerekonfigurierbarer
Knoten und -verbindungen
< 100 Knoten
Zum jedem Zeitpunkt ist jedem Knoten die funktionsfähige
Netztopologie und die Prozessverteilung bekannt
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Ziele (2/4)
Entwurfsmethodik für eingebettete Systeme bestehend
aus kleinen Netzwerken hardwarerekonfigurierbarer
Knoten und -verbindungen
Spezialisiertes System
Dynamische Nutzungsszenarien erfordern die
Anpassbarkeit des Systems und der einzelnen Knoten an
unterschiedliche Anforderungen
Energieaspekte
Rechenleistung
…
Nur durch Hardwarerekonfiguration zu erreichen
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Ziele (3/4)
Entwurfsmethodik für eingebettete Systeme bestehend
aus kleinen Netzwerken hardwarerekonfigurierbarer
Knoten und -verbindungen
Knoten sind elektrisch miteinander verbunden
(Dies steht im Gegensatz zu Modellen und Verfahren von
Funk- und optischen Netzen)
Knoten sind an geographisch festen Orten gebunden
Flexibilität des Systems wird allein durch
Hardwarerekonfiguration erreicht
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Ziele (4/4)
Entwurfsmethodik für eingebettete Systeme bestehend
aus kleinen Netzwerken hardwarerekonfigurierbarer
Knoten und -verbindungen
Es fehlt an Entwurfsmethodik für diese Systeme!
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Gliederung
Motivation
Ziele
Arbeitsprogramm:
Modellierung
Analyse
Synthese und Optimierung
Implementierung
Ausblick
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Sensor-Controller-Aktuator-Kette
S1
S2
Sn
PS1
PS2
PSn
ReCoNet
PC
FPGA
PA1
PA2
PAm
Reconf.
Verbind.
A1
A2
Am
ReCoNode
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Rekonfigurierbare Hardware
PC
PA1
PC
PA1
PC
PC
PA1
PA2
PA2
PA2
PC
PA1
PA2
PA1
PA2
CPU
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Zusammenfassung: Modellierung
Modellierung und Architekturabbildung von sog. SensorController-Aktuator-Ketten
Modellierung und Spezifikation zeitvarianter Anwendungen
und Architekturen:
Zeitvariante Allokation α(t):
Welche Komponenten (Konfigurationen) stehen zum
Zeitpunkt t zur Verfügung?
Zeitvariante Bindung β(t):
Auf welcher Komponente wird ein Prozess zum Zeitpunkt t
ausgeführt?
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Gliederung
Motivation
Ziele
Arbeitsprogramm:
Modellierung
Analyse
Synthese und Optimierung
Implementierung
Ausblick
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Ausfallsicherheit und Fehlertoleranz
1-Fehler:
P1
R1
B1
R2
R1 B 1
R1 R2 B1 R2
R1
2-Fehler:
C1
B1
P2
R2
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Ausfallsicherheit
Erste Vorarbeiten:
SAT-basierte Verfahren zur System-Synthese
Auch einsetzbar zur Analyse der Ausfallsicherheit zur
Entwurfszeit
Topologieoptimierung
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Detektion von Ressourcendefekten
Erkennung von Fehlern auf Leitungen z.B. durch
paketorientierte Kommunikation
Einsatz bekannter Techniken zur Kanalcodierung und
Fehlerkorrektur als Hilfswerkzeuge möglich
Knotendetektion kann z.B. von Leitungsdetektion
abgeleitet werden
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Gliederung
Motivation
Ziele
Arbeitsprogramm:
Modellierung
Analyse
Synthese und Optimierung
Implementierung
Ausblick
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Rerouting
R1 R2 R3 R4
R1 0 1
0 1 1
1 0 1 1
R2 0
R3 1 1 0 1
R4 1 1 1 0
R1
B1
R2
computeShortestPath() P
C
R1 R2 R3 R4
R1 0 1
0 1 1
1 0 1 1
R2 0
R3 1 1 0 1
R4 1 1 1 0
PS
computeShortestPath()
B2
B3
B5
R1 R2 R3 R4
R1 0 1
0 1 1
1 0 1 1
R2 0
R3 1 1 0 1
R4 1 1 1 0
R3
B4
R4
B6
PA
R1 R2 R3 R4
R1 0 1
0 1 1
1 0 1 1
R2 0
R3 1 1 0 1
R4 1 1 1 0
computeShortestPath()
computeShortestPath()
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Online-HW/SW-Partitionierung (1/2)
Aber: Wohin soll ein Prozess
migriert werden?
R1
B1
R2
PC
PS
B2
B3
B5
R3
B4
R4
B6
PA
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Minimierung der Anzahl der zu
rekonfigurierenden Knoten?
Ausgeglichene
Ressourcenauslastung?
Minimierung der mittleren
Kommunikationsstrecke?
…
Soll ein Prozess nach der
Migration in HW oder SW
ausgeführt werden?
Managmentfunktion zentral oder
dezentral realisieren?
21
Online-HW/SW-Partitionierung (2/2)
(α(t), β(t))
e(t)
Repartitionierung
(α‘(t), β‘(t))
Optimierung
Ereignis e(t) bewirkt
Allokationsänderung
Repartitionierung bindet
“kritische” Prozesse neu
Optimierungsphase verteilt
Prozesse neu
Mögliche Zielgrößen:
Flächenbedarf für HardwareProzesse je Knoten
Anzahl der Prozesse pro
Knoten
(α‘(t), β‘‘(t))
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Gliederung
Motivation
Ziele
Arbeitsprogramm:
Modellierung
Analyse
Synthese und Optimierung
Implementierung
Ausblick
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Implementierung
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Excalibur-Board
1 MByte Flash Memory
256 kByte SRAM
Configuration Controller
APEX FPGA:
max. System Gates: 526.000
max. RAM Bits:
106.496
max. User I/Os:
382
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SoC-Realisierung
SRAM
SRAM
Flash
Timer
PIO
User Defined
Hardware
PBM
CPU
IRQ
NIOS
SPI
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Arbeitsplan (1/2)
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8
Modellierung
AP1
AP2
60%
60%
40%
30%
60%
40%
10%
10%
10%
40%
10%
10%
40%
20%
10%
10%
30%
10%
30%
20%
30%
20%
30%
20%
20%
10%
20%
40%
40%
30%
40%
30%
40%
30%
40%
10%
30%
10%
10%
10%
10%
10%
10%
20%
20%
10%
10%
20%
30%
40%
30%
20%
20%
30%
50%
40%
20%
20%
30%
20%
80%
Analyse
AP3
AP4
AP5
Synthese
AP6
AP7
Implement.
AP8
AP9
AP10
AP11
AP12
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Arbeitsplan (2/2)
Q1
Modellierung
AP1
AP2
Analyse
AP3
AP4
AP5
Synthese
AP6
AP7
Implement.
AP8
AP9
AP10
AP11
AP12
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8
Modellierung
Anwendungen und Architekturen
60%
60% zeitvarianter
40%
Definition zeitvarianter
Allokationen
30%
60%
40% und
10%Bindungen
10%
10%
Analyse40%
von Spezifikationen
mit zeitv. Allokation und Bindung
40%
10%
Ausfallsicherheit
und Fehlertoleranz
10% Analyse
20% von
30%
30%
30%
30%
20%
20%
10%
10%
10%
20%
20%
20% und10%
Erkennung
von Leitungsund Knotenstörungen
-ausfällen
Mechanismen
Zielfunktionen
zum
40%
30% und
30%
30%
10% Rerouting in ReCoNets
Algorithmen
Online-Hardware/Software-Partitionierung
40%
40% zur40%
40%
30%
10%
Analyseverfahren
10% zur Bestimmung
10%
10%der Ausfallsicherheit
10%
20%
20%
Routingverfahren bei fehlerhaften
Leitungen
und
Knoten
10%
10%
20%
20%
20%
Simulative Implementierung der Online-HW/SW-Partitionierung
20%
30%
30%
30%
Aufbau des Demonstrators
20%
40%
50%
20%
10%
30%
40%
80%
Test des Demonstrators
an Beispielen
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Gliederung
Motivation
Ziele
Arbeitsprogramm:
Modellierung
Analyse
Synthese und Optimierung
Implementierung
Ausblick
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Ausblick (1. + 2. Phase)
1. Phase terminiert in einem ersten einfachen
Prototypen:
Automatisches Erkennen von Leitungs- und Knotenausfällen
Automatisches Rerouting bzw. Repartitionierung
2. Phase: Betriebssystemdienste:
Verwaltung von HW- und SW-Prozessen
Kombination der Entwurfsmethodiken auf Mikro- und
Makroebene (ReCoNets & ReCoNodes)
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Ausblick (3. Phase)
3. Phase:
Optimierung der Netztopologie
Sicherheit und Zugang zu ReCoNets
Echtzeitverhalten in ReCoNets
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