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

De part leur capacité de reconfiguration et les performances qu’ils offrent, les FPGAs sont de bons candidats pour accélérer des applications dans le Cloud. Cependant, les FPGAs présentent certaines caractéristiques qui font obstacle à leur utilisation dans le Cloud et leur adoption par les clients : premièrement, la programmation des FPGAs se fait à bas niveau et demande une certaine expertise, que n’ont pas nécessairement les clients habituels du Cloud. Deuxièmement, les FPGAs ne présentent pas de mécanismes natifs permettant leur intégration dans le modèle de gestion dynamique d’une infrastructure Cloud.Dans ce travail, nous proposons d’utiliser des architectures overlay afin de faciliter l’adoption, l’intégration et l’exploitation de FPGAs dans le Cloud. Les overlays sont des architectures reconfigurables elles-mêmes implémentée sur FPGA. En tant que couche d’abstraction matérielle placée entre le FPGA et les applications, les overlays permettent de monter le niveau d’abstraction du modèle d’exécution présenté aux applications et aux utilisateurs, ainsi que d’implémenter des mécanismes facilitant leur intégration et leur exploitation dans une infrastructure Cloud.Ce travail présente une approche verticale adressant tous les aspects de la mise en œuvre d’overlays dans le Cloud en tant qu’accélérateurs reconfigurables par les clients : de la conception et l’implémentation des overlays, leur intégration sur des plateformes FPGA commerciales, la mise en place de leurs mécanismes d’exploitation, jusqu’à la réalisationde leurs outils de programmation. L’environnement réalisé est complet, modulaire et extensible, il repose en partie sur différents outils existants, et démontre la faisabilité de notre approche. / Due to their reconfigurable capability and the performance they offer, FPGAs are good candidates for accelerating applications in the cloud. However, FPGAs have some features that hinder their use in the Cloud as well as their adoption by customers : first, FPGA programming is done at low level and requires some expertise that usual Cloud clients do not necessarily have. Secondly, FPGAs do not have native mechanisms allowing them to easily fit in the dynamic execution model of the Cloud.In this work, we propose to use overlay architectures to facilitate FPGA adoption, integration, and operation in the Cloud. Overlays are reconfigurable architectures synthesized on FPGA. As hardware abstraction layers placed between the FPGA and applications, overlays allow to raise the abstraction level of the execution model presented to applications and users, as well as to implement mechanisms making them fit in a Cloud infrastructure.This work presents a vertical approach addressing all aspects of overlay operation in the Cloud as reconfigurable accelerators programmable by tenants : from designing and implementing overlays, integrating them on commercial FPGA platforms, setting up their operating mechanisms, to developping their programming tools. The environment developped in this work is complete, modular and extensible, it is partially based on several existing tools, and demonstrate the feasibility of our approach.

L’augmentation de la taille des réseaux actuels ainsi que de la diversité des applications qui les utilisent font que les architectures de calcul traditionnelles deviennent limitées. En effet, les architectures purement logicielles ne permettent pas de tenir les débits en jeu, tandis que celles purement matérielles n’offrent pas assez de flexibilité pour répondre à la diversité des applications. Ainsi, l’utilisation de solutions de type matériel programmable, en particulier les Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), a été envisagée. En effet, ces architectures sont souvent considérées comme un bon compromis entre performances et flexibilité, notamment grâce à la technique de Reconfiguration Dynamique Partielle (RDP), qui permet de modifier le comportement d’une partie du circuit pendant l’exécution. Cependant, cette technique peut présenter des inconvénients lorsqu’elle est utilisée de manière intensive, en particulier au niveau du stockage des fichiers de configuration, appelés bitstreams. Pour palier ce problème, il est possible d’utiliser la relocation de bitstreams, permettant de réduire le nombre de fichiers de configuration. Cependant cette technique est fastidieuse et exige des connaissances pointues dans les FPGAs. Un flot de conception entièrement automatisé a donc été développé dans le but de simplifier son utilisation.Pour permettre une flexibilité sur l’enchaînement des traitements effectués, une architecture de communication flexible supportant des hauts débits est également nécessaire. Ainsi, l’étude de Network-on-Chips dédiés aux circuits reconfigurables et au traitements réseaux à haut débit.Enfin, un cas d’étude a été mené pour valider notre approche. / The increase in both size and diversity of applications regarding modern networks is making traditional computing architectures limited. Indeed, purely software architectures can not sustain typical throughputs, while purely hardware ones severely lack the flexibility needed to adapt to the diversity of applications. Thus, the investigation of programmable hardware, such as Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), has been done. These architectures are indeed usually considered as a good tradeoff between performance and flexibility, mainly thanks to the Dynamic Partial Reconfiguration (DPR), which allows to reconfigure a part of the design during run-time.However, this technique can have several drawbacks, especially regarding the storing of the configuration files, called bitstreams. To solve this issue, bitstream relocation can be deployed, which allows to decrease the number of configuration files required. However, this technique is long, error-prone, and requires specific knowledge inFPGAs. A fully automated design flow has been developped to ease the use of this technique. In order to provide flexibility regarding the sequence of treatments to be done on our architecture, a flexible and high-throughput communication structure is required. Thus, a Network-on-Chips study and characterization has been done accordingly to network processing and bitstream relocation properties. Finally, a case study has been developed in order to validate our approach.