Context Switching Reconfigurable Hardware for Communication Systems

Programmerbar logikk kretser er et alternativ til prosessorer. De tilbyr typisk mer parallell beregning og flere inn/ut-linjer enn en prosessor og har lavere effektforbruk. De programmeres basert på en kretsbeskrivelse tilsvarende et program for en prosessor. Kretsbeskrivelsen er grunnlaget for en konfigurasjon som skrives til kretsen og deretter bestemmer oppførselen til kretsen. Denne kan overskrives enten i sin helhet eller kun en del av den. Det sistnevnte, kalt delvis rekonfigurasjon, muliggjør at deler av kretsen kan endre funksjon uten at hele kretsen må stoppes. Erfaring så langt viser imidlertid at, selv om en drar nytte av omprogrammering under utvikling, så fastlåses normalt konfigurasjonen når et produkt skal ut på markedet. Noe av grunnen til dette skyldes mangel på verktøy og eksempler på realiseringer. Fokus i dette prosjektet har derfor vært å utvikle arkitekturer og verktøy som øker muligheten for at dynamisk skifte av konfigurasjoner kan bli mer anvendbart, slik det i mange år har vært for prosessorer. Det har i prosjektet vært jobbet med å utvikle et verktøy, kalt GoAhead, for å støtte utvikling av delvis rekonfigurasjon av programmerbar logikk. Det tilbyr et rammeverk for utvikling av systemer basert på blokker med rekonfigurerbar logikk som dynamisk kan skiftes ut. Det tilbyr fleksibilitet og muligheter langt ut over det andre tilgjengelige verktøy tilbyr. Vi har også jobbet med utvikling av et konkret eksempel som viser hvordan verktøyet kan benyttes. Verktøyet har oppnådd betydelig oppmerksomhet i det internasjonale fagmiljøet med en rekke som ønsker å ta det i bruk i sin forskning og utvikling. Arealplanlegging er viktig i forbindelse med dynamisk utskifting av moduler, og vi har introdusert en effektiv måte det kan gjøres på og integrert den i GoAhead. Dette verktøyet for modulplassering har også blitt integrert med et flertråds operativsystem utviklet ved Universitetet i Paderborn. Dette arbeidet er et resultat av et utlandsopphold for en av stipendiatene i prosjektet. En annen grunn til at omprogrammering i svært begrenset grad er blitt tatt i bruk i industrielle produkter er mangel på muligheter for å simulere slike systemer. Derfor har vi i prosjektet jobbet med utvikling av et rammeverk for nøyaktig modellering og simulering av system som benytter delvis omprogrammering av en krets. Vi har også vist hvordan tiden for rekonfigurasjon vesentlig kan reduseres. Prosjektmedarbeidere har også vært involvert i (ved vårt institutt) å arrangere den største og eldste konferansen inn rekonfigurerbar logikk i august 2012, 22nd International Conference on Field Programmable Logic and Applications (FPL). Videre har vi samarbeidet i ERASMUS-prosjektet European Digital Virtual Design lab (eDiViDe, 2011-2014) sammen med 3 andre europeiske partnere. Målsetningen har vært å utvikle et laboratorium der studenter kan få adgang til flere virkelig lab-oppsett som de kan koble seg opp til fra hvor som helst gjennom internett. Her vil vi blant annet vise delvis rekonfigurasjon i praksis ved at studenter kan lage design med vårt utviklede GoAhead verktøy.

Much of the focus on computer hardware is on the speed and performance of the latest processors. In parallel to this development, reconfigurable logic devices (Field Programmable Gate Arrays - FPGAs) are getting faster and contain a larger amount of confi gurable logic as well. There is a growing interest in applying the technology for computing rather than only as glue logic between processing elements. In this project, the latest of such technology will be applied for designing high performance computin g systems in embedded communication systems. Whereas hardware normally is static at run-time, software processes are being swapped at a high rate. However, in this project, architectures where the hardware configuration is dynamically changed (i.e. conte xt switching) will be investigated. Norwegian industry has shown a leading role in the design of different kinds of communication systems. Much of this has involved the design of custom hardware systems. These have often included Application Specific In tegrated Circuits (ASICs) to obtain satisfactory speed. The drawback of such systems is the lack of flexibility as frequently new protocols, features and capabilities are added. Reconfigurable technology could provide the user both increased speed by havi ng the algorithms implemented in custom hardware as well as a very flexible (like software) way of modifying the architecture. Reducing cost and power consumption have increased importance. By introducing run-time reconfigurable hardware as we would like in this project, the size of the physical hardware can be smaller than the reconfigurable logic resources otherwise required. This is since for most applications not all application functions/protocols in a system are active concurrently and by run-time reconfiguration inactive functions do not have to occupy hardware. Another benefit of run-time reconfiguration could be computational speedup.