Este trabalho descreve a prova de conceito de uma abordagem que utiliza o modelo de computação a fluxo de dados, inerentemente paralelo, associado ao modelo de computação reconfigurável parcial e dinamicamente, visando à obtenção de sistemas computacionais de alto desempenho. Mais especificamente, trata da obtenção de um modelo para o particionamento dos grafos a fluxo de dados dinâmicos e de um protocolo de comunicação entre suas partes, a fim de permitir a sua implementação em arquiteturas dinamicamente reconfiguráveis, em especial em FGPAs Virtex da Xilinx. Enquadra-se no contexto do projeto ChipCFlow, de escopo mais amplo, que pretende obter uma ferramenta para geração automática de descrição de hardware sintetizável, a partir de código em alto nível, escrito em linguagem C, fazendo uso da abordagem a fluxo de dados para extrair o paralelismo implícito nas aplicações originais. O modelo proposto é aplicado em um grafo a fluxo de dados dinâmico, e através de simulações sua viabilidade é discutida / This work describes the concept of an approach that uses data ow computational model, inherently parallel, associated with de reconfigurable computing model, partial and dynamic, in order to obtain high performance computational systems. More specifically, it is about a model to the partitioning and communication between partitioned sectors of a CDFG (Control Data Flow Graph) in order to map these graphs on a partial reconfiguration FPGA fabric, in special Virtex II/II-Pro from Xilinx. It is part of the ChipCFlow project, that has a bigger scope, and that aims to automatically obtain syntetisable hardware descriptions, from high level code written in C and, by using a data flow approach to extract implicit parallelism in original applications. The model obtained is extensively explained and applied to an example of CDFG, where by means of simulations its feasibility is discussed

Made available in DSpace on 2014-06-12T15:59:44Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo5532_1.pdf: 2107348 bytes, checksum: f54c0cde06194bb510ceea86f3c8cf6a (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2006 / Atualmente, os dispositivos eletrônicos digitais programáveis vêm trazendo grandes avanços quando na prototipação e na implementação de sistemas embarcados, especialmente aqueles que apresentam algum tipo de computação embarcada. Estes dispositivos são largamente utilizados em áreas como telecomunicações, redes de computadores, tratamento de sinais, controle, etc. Particularmente, dispositivos lógicos programáveis como os FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) têm apresentado vantagens especiais por apresentarem características e recursos computacionais implementadas em hardware, em sua reconfiguração. Esta característica permite que este tipo de dispositivo possa ser reprogramado total ou parcialmente de acordo com a demanda do projeto, através de núcleos de hardware previamente sintetizado e armazenado em bibliotecas de componentes. O principal problema a ser abordado neste trabalho diz respeito à necessidade de ferramentas adequadas para análise e síntese de aplicações com características de tempo real em hardware reconfigurável. Estas aplicações, que no contexto deste trabalho, são implementadas em hardware, necessitam ter suas tarefas adequadamente escalonadas ao longo do tempo, de acordo com os requisitos temporais impostos pela aplicação. A forma como esta distribuição de tarefas é feita pode degradar o desempenho do sistema ou fazer com que não seja possível garantir que todos os requisitos da aplicação sejam atendidos. O objetivo desta Tese é portanto, propor um novo método de escalonamento de tarefas para aplicações em tempo real em arquiteturas parcial e dinamicamente reconfiguráveis baseadas em FPGAs. A metodologia proposta, usa como linguagem interna para representação e modelagem de sistemas, redes de Petri temporizadas. Para tal, considera-se inicialmente as especificações temporais da aplicação como um todo e particularmente de cada tarefa que compõe a aplicação, a interdependência de dados entre estas tarefas e a arquitetura onde será implementada a aplicação. Nesta tese é apresentado o estado da arte em projetos com FPGAs, bem como uma revisão dos métodos de escalonamento de tarefas que podem ser implementados em sistemas baseados nestes dispositivos. As principais contribuições desta tese referem-se a geração de um conjunto de escalonamentos que atendam as especificções de precedencia e de tempo da aplicação e a seleção de um escalonamento em particular que apresente o melhor desempenho temporal do conjunto gerado para implementação em FPGA. De acordo com estes levantamentos e juntamente com os resultados obtidos, conclui-se que a metodologia desenvolvida representa uma efetiva contribuição ao projeto de sistemas dinamicamente reconfiguráveis. Exemplos são discutidos como forma de demonstrar a metodologia sugerida bem como, suas vantagens e limitações

Made available in DSpace on 2014-06-12T15:59:50Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo5650_1.pdf: 2595763 bytes, checksum: 42fc72bb1ec45c1ac0cfbbcdfa706d6d (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2007 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Há um grande interesse por parte dos pesquisadores em relação às características de autoreconfiguração e auto-adaptação presentes em plataformas modernas de hardware baseadas em dispositivos lógicos dinamicamente reconfiguráveis FPGAs (Field Programmable Gate Arrays). Alguns destes dispositivos apresentam características ainda mais específicas, permitindo sua reconfiguração parcial e dinâmica, o que permite que, parte da lógica, possa ser modificada enquanto o restante do circuito permanece em operação. O objetivo desta dissertação é desenvolver uma Plataforma de Reconfiguração Dinâmica baseada em FPGAs, que permita a execução de aplicações utilizando os métodos de hardware virtual, permitindo modificações nas configurações parciais em hardware, processamento massivo de dados, etc. Esta plataforma é um estudo de caso em reconfiguração dinâmica para implementação real dos trabalhos de pesquisa em Escalonamento de Tarefas e Particionamento Temporal. Esta plataforma híbrida, denominada Aquarius, é composta pelas plataformas Altera e Xilinx, baseadas nos dispositivos FPGAs Stratix-II e Virtex-II, respectivamente. A plataforma Altera oferece todo o suporte para reconfiguração do dispositivo da Xilinx. Esta plataforma é controlada por um processador soft-core Nios da Altera, o qual possui o suporte de um SO uCLinux, além de device drivers especialmente desenvolvidos para reconfiguração do dispositivo da Xilinx. Um módulo de reconfiguração especial, o IP-SelectMAP, foi desenvolvido para programação do hardware dinâmica e parcialmente reconfigurável. Este módulo recebe informações da plataforma da Altera, através dos device drivers, os bitstreams, arquivos responsáveis pela programação do dispositivo da Xilinx. Todos os bitstreams de configuração são previamente escalonados de acordo com a aplicação do usuário. Desenvolver sistemas de reconfiguração dinâmica ainda é um desafio, porque sua implementação é complexa e por haver poucas plataformas de hardware e software para projetá-los. No entanto, metodologias de projeto como as aqui propostas, permitem que novas classes de hardware virtual possam ser, no futuro, mais facilmente utilizados, assim como, soluções reais, em processamento massivo de dados em plataforma Multi-FPGAs

Este trabalho descreve a prova de conceito de uma abordagem que utiliza o modelo de computação a fluxo de dados, inerentemente paralelo, associado ao modelo de computação reconfigurável parcial e dinamicamente, visando à obtenção de sistemas computacionais de alto desempenho. Mais especificamente, trata da obtenção de um modelo para o particionamento dos grafos a fluxo de dados dinâmicos e de um protocolo de comunicação entre suas partes, a fim de permitir a sua implementação em arquiteturas dinamicamente reconfiguráveis, em especial em FGPAs Virtex da Xilinx. Enquadra-se no contexto do projeto ChipCFlow, de escopo mais amplo, que pretende obter uma ferramenta para geração automática de descrição de hardware sintetizável, a partir de código em alto nível, escrito em linguagem C, fazendo uso da abordagem a fluxo de dados para extrair o paralelismo implícito nas aplicações originais. O modelo proposto é aplicado em um grafo a fluxo de dados dinâmico, e através de simulações sua viabilidade é discutida / This work describes the concept of an approach that uses data ow computational model, inherently parallel, associated with de reconfigurable computing model, partial and dynamic, in order to obtain high performance computational systems. More specifically, it is about a model to the partitioning and communication between partitioned sectors of a CDFG (Control Data Flow Graph) in order to map these graphs on a partial reconfiguration FPGA fabric, in special Virtex II/II-Pro from Xilinx. It is part of the ChipCFlow project, that has a bigger scope, and that aims to automatically obtain syntetisable hardware descriptions, from high level code written in C and, by using a data flow approach to extract implicit parallelism in original applications. The model obtained is extensively explained and applied to an example of CDFG, where by means of simulations its feasibility is discussed

Nos últimos anos, houve um grande avanço na computação reconfigurável, em particular em hardware que emprega Field-Programmable Gate Arrays. Porém, esse aumento de capacidade e desempenho aumentou a distância entre a capacidade de projeto e a disponibilidade de tecnologia para o desenvolvimento do projeto. As linguagens de programação imperativas de alto nível, como C, são mais apropriadas para o desenvolvimento de aplicativos complexos que as linguagens de descrição de hardware. Por isso, surgiram diversas ferramentas para o desenvolvimento de hardware a partir de código em C. A ferramenta ChipCflow, da qual faz parte este projeto, é uma delas. A execução dos programas por meio dessa ferramenta será completamente baseada em seu fluxo de dados, seguindo o modelo dinâmico encontrado nas arquiteturas de computadores a fluxo de dados, aproveitando ao máximo o paralelismo considerado natural desse modelo e as características do hardware parcialmente reconfigurável. Neste projeto em particular, o objetivo é a prova de conceito (proof of concept) para a criação de instâncias, em forma de operadores, de um algoritmo ChipCflow em hardware parcialmente reconfigurável, tendo como base a plataforma Virtex da Xilinx / In recent years, reconfigurable computing has become increasingly more advanced, especially in hardware that uses Field-Programmable Gate Arrays. However, the increase of performance in FPGAs accumulated the gap between design capacity and technology for the development of the design. Imperative high-level programming languages such as C are more appropriate for the development of complex algorithms than hardware description languages (HDL). For this reason, many ANSI C-like programming tools for the development of hardware came to existence. The ChipCflow project, of which this project is part, is one of these tools. The execution of algorithms through this tool will be completely directed by data flow, according to the dynamic model found on Dataflow Architectures, taking advantage of its natural high levels of parallelism and the characteristics of the partially reconfigurable hardware. In this project, the objective is a proof of concept for the creation of instances, in the form of operators, of a ChipCflow algorithm on a partially reconfigurable hardware, taking as reference the Xilinx Virtex boards

Nos últimos anos, houve um grande avanço na computação reconfigurável, em particular em hardware que emprega Field-Programmable Gate Arrays. Porém, esse aumento de capacidade e desempenho aumentou a distância entre a capacidade de projeto e a disponibilidade de tecnologia para o desenvolvimento do projeto. As linguagens de programação imperativas de alto nível, como C, são mais apropriadas para o desenvolvimento de aplicativos complexos que as linguagens de descrição de hardware. Por isso, surgiram diversas ferramentas para o desenvolvimento de hardware a partir de código em C. A ferramenta ChipCflow, da qual faz parte este projeto, é uma delas. A execução dos programas por meio dessa ferramenta será completamente baseada em seu fluxo de dados, seguindo o modelo dinâmico encontrado nas arquiteturas de computadores a fluxo de dados, aproveitando ao máximo o paralelismo considerado natural desse modelo e as características do hardware parcialmente reconfigurável. Neste projeto em particular, o objetivo é a prova de conceito (proof of concept) para a criação de instâncias, em forma de operadores, de um algoritmo ChipCflow em hardware parcialmente reconfigurável, tendo como base a plataforma Virtex da Xilinx / In recent years, reconfigurable computing has become increasingly more advanced, especially in hardware that uses Field-Programmable Gate Arrays. However, the increase of performance in FPGAs accumulated the gap between design capacity and technology for the development of the design. Imperative high-level programming languages such as C are more appropriate for the development of complex algorithms than hardware description languages (HDL). For this reason, many ANSI C-like programming tools for the development of hardware came to existence. The ChipCflow project, of which this project is part, is one of these tools. The execution of algorithms through this tool will be completely directed by data flow, according to the dynamic model found on Dataflow Architectures, taking advantage of its natural high levels of parallelism and the characteristics of the partially reconfigurable hardware. In this project, the objective is a proof of concept for the creation of instances, in the form of operators, of a ChipCflow algorithm on a partially reconfigurable hardware, taking as reference the Xilinx Virtex boards

A ferramenta ChipCflow vem sendo desenvolvida nos últimos quatro anos, inicialmente a partir de um projeto de arquitetura a fluxo de dados dinâmico em hardware reconfigurável, mas agora como uma ferramenta de compilação. Ela tem como objetivo a execução de algoritmos por meio do modelo de arquitetura a fluxo de dados associado ao conceito de dispositivos parcialmente reconfiguráveis. Sua característica principal é acelerar o tempo de execução de programas escritos em Linguagem de Programação de Alto Nível (LPAN), do inglês, High Level Languages, em particular nas partes mais intensas de processamento. Isso é feito por meio da implementação dessas partes de código diretamente em hardware reconfigurável - utilizando a tecnologia Field-programmable Gate Array (FPGA) - aproveitando ao máximo o paralelismo considerado natural do modelo a fluxo de dados e as características do hardware parcialmente reconfigurável. Neste trabalho, o objetivo é a prova de conceito do processo de partição e do protocolo de comunicação entre as partições definidas a partir de um Grafo de Fluxo de Dados (GFD), para a execução direta em hardware reconfigurável utilizando Reconfiguração Parcial Dinâmica (RPD). Foi necessário elaborar um mecanismo de partição e protocolo de comunicação entre essas partições, uma vez que a RPD insere características tecnológicas limitantes não encontradas em hardwares reconfiguráveis mais tradicionais. O mecanismo criado se mostrou parcialmente adequado à prova de conceito, significando a possibilidade de se executar GFDs na plataforma parcialmente reconfigurável. Todavia, os tempos de reconfiguração inviabilizaram a proposta inicial de se utilizar RPD para diminuir o tempo de tag matching dos GFDs dinâmicos / The ChipCflow tool has been developed over the last four years, initially from an architectural design the flow of Dynamic Data in reconfigurable hardware, but now as a compilation tool. It aims to run algorithms using the model of the data flow architecture associated with the concept of partially reconfigurable devices. Its main feature is to accelerate the execution time of programs written in High Level Languages, particularly in the most intense processing. This is done by implementing those parts of code directly in reconfigurable hardware - using FPGA technology - leveraging the natural parallelism of the data flow model and characteristics of the partially reconfigurable hardware. In this work, the main goal is the proof of concept of the partition process and protocol communication between the partitions defined from Data Flow Graph for direct execution in reconfigurable hardware using Active Partial Reconfiguration. This required a mechanism to partition and a protocol for communication between these partitions, since the Active Partial Reconfiguration inserts technological features limiting not found in traditional reconfigurable hardware. The mechanism developed is show to be partially adequate to the proof of concept, meaning the ability to run Data Flow Graphs in a platform that is partially reconfigurable. However, the reconfiguration time inserts a great overhead into the execution time, which made the proposal of the use of Active Partial Reconfiguration to decrease the time matching Data Flow Graph unfeasible

A ferramenta ChipCflow vem sendo desenvolvida nos últimos quatro anos, inicialmente a partir de um projeto de arquitetura a fluxo de dados dinâmico em hardware reconfigurável, mas agora como uma ferramenta de compilação. Ela tem como objetivo a execução de algoritmos por meio do modelo de arquitetura a fluxo de dados associado ao conceito de dispositivos parcialmente reconfiguráveis. Sua característica principal é acelerar o tempo de execução de programas escritos em Linguagem de Programação de Alto Nível (LPAN), do inglês, High Level Languages, em particular nas partes mais intensas de processamento. Isso é feito por meio da implementação dessas partes de código diretamente em hardware reconfigurável - utilizando a tecnologia Field-programmable Gate Array (FPGA) - aproveitando ao máximo o paralelismo considerado natural do modelo a fluxo de dados e as características do hardware parcialmente reconfigurável. Neste trabalho, o objetivo é a prova de conceito do processo de partição e do protocolo de comunicação entre as partições definidas a partir de um Grafo de Fluxo de Dados (GFD), para a execução direta em hardware reconfigurável utilizando Reconfiguração Parcial Dinâmica (RPD). Foi necessário elaborar um mecanismo de partição e protocolo de comunicação entre essas partições, uma vez que a RPD insere características tecnológicas limitantes não encontradas em hardwares reconfiguráveis mais tradicionais. O mecanismo criado se mostrou parcialmente adequado à prova de conceito, significando a possibilidade de se executar GFDs na plataforma parcialmente reconfigurável. Todavia, os tempos de reconfiguração inviabilizaram a proposta inicial de se utilizar RPD para diminuir o tempo de tag matching dos GFDs dinâmicos / The ChipCflow tool has been developed over the last four years, initially from an architectural design the flow of Dynamic Data in reconfigurable hardware, but now as a compilation tool. It aims to run algorithms using the model of the data flow architecture associated with the concept of partially reconfigurable devices. Its main feature is to accelerate the execution time of programs written in High Level Languages, particularly in the most intense processing. This is done by implementing those parts of code directly in reconfigurable hardware - using FPGA technology - leveraging the natural parallelism of the data flow model and characteristics of the partially reconfigurable hardware. In this work, the main goal is the proof of concept of the partition process and protocol communication between the partitions defined from Data Flow Graph for direct execution in reconfigurable hardware using Active Partial Reconfiguration. This required a mechanism to partition and a protocol for communication between these partitions, since the Active Partial Reconfiguration inserts technological features limiting not found in traditional reconfigurable hardware. The mechanism developed is show to be partially adequate to the proof of concept, meaning the ability to run Data Flow Graphs in a platform that is partially reconfigurable. However, the reconfiguration time inserts a great overhead into the execution time, which made the proposal of the use of Active Partial Reconfiguration to decrease the time matching Data Flow Graph unfeasible