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ReCoNodes – Optimierungsmethodik zur Steuerung hardwarekonfigurierbarer Knoten

In diesem Projekt wird der bislang nur unzulänglich automatisierte Zugang zu rekonfigurierbaren Schaltungen, insbesondere FPGA-basierten Architekturen, erschlossen durch Bereitstellung von Modellen und Optimierungsmethoden im Zusammenhang mit der dynamischen Hardwarerekonfiguration. Diese Modelle und Methoden sollen schließlich in einer Art Betriebssystem für Hardwarefunktionen resultieren, das die Verwaltung der Ressourcen zur Laufzeit übernimmt. Konkreter Gegenstand unserer Untersuchungen sind Strategien und Methoden der mathematischen Optimierung für die optimale Steuerung und Nutzung neuester und künftiger Generationen von rekonfigurierbarer Hardware. Solche rekonfigurierbaren Chips werden bereits in verschiedensten technischen Zusammenhängen genutzt. Aufgrund praktischer Hindernisse (vor allem durch den hohen Rekonfigurationsaufwand) und theoretisch noch nicht voll entwickelter Methoden konnte das Potential rekonfigurierbarer Hardware bislang nur zu einem kleinen Teil verwirklicht werden. Es ist unser Ziel zu zeigen, dass die meisten dieser Schwierigkeiten bereits mit bestehender Technologie zu einem guten Teil überwunden werden können. Davon erwarten wir auch neue Impulse für Entwicklung und Einsatz neuer Chipgenerationen.
Modellierung: Die Anforderung von Ressourcen sowie die rekonfigurierbaren Ressourcen und Chips selbst müssen geeignet modelliert werden. Während bei Betriebssystemen für Mikroprozessoren die wichtigsten Einflussgrößen weitgehend bekannt sind, sind viele Eigenschaften im Bereich der Hardwareanforderungen alles andere als klar, etwa die Anzahl und Form angeforderter Ressourcen, die Ausführungszeit oder der erforderliche Rekonfigurationsaufwand. Dennoch reden wir hier in Analogie zum Task-Begriff in der Softwarewelt konsequent von Hardwaretasks bzw. Hardwareprozessen, um Anforderungen zu bezeichnen. Allerdings erweist es sich als zweckmäßig, zwischen Tasks und Modulen zu unterscheiden. Dabei stellt ein Modul eine Hardwarekonfiguration dar, auf der gewisse Tasks ausgeführt werden können; wie wir noch näher erläutern werden, machen es relativ hohe Rekonfigurationszeiten, aber u. U. relativ kurze Taskzeiten möglich und wünschenswert, bestehende Module auch nach Ende einer Task für mögliche weitere Tasks ohne zusätzlichen Rekonfigurationsaufwand bereit zu halten. Dies illustriert bereits, dass die vorhandenen Ressourcen der Hardware geeignet modelliert werden müssen. Eigenschaften, wie die Unterbrechbarkeit von Hardwaretasks, Rekonfigurationsaufwand, Kommunikationsmodelle, etc., werden geeignet formalisiert.
Optimierung: Basierend auf den obigen mathematischen Modellen geht es bei der Optimierung darum, die vorhandenen Ressourcen effizient zu verwalten. In der Welt von Softwarebetriebssystemen sind hier die zentralen Probleme der Allokation von Ressourcen sowie der zeitlichen Zuteilung von Ressourcen unter dem Begriff der Ablaufplanung, engl. Scheduling, bekannt. Prinzipiell gilt dies auch für die Ressourcen auf einem rekonfigurierbaren Chip. Die Frage stellt sich nur, welche Optimierungsalgorithmen und welche Optimierungsziele im Rahmen der dynamischen Hardwarerekonfiguration zu verfolgen sind. Hier sollen drei unterschiedliche Szenarien untersucht werden: Das erste Szenario betrifft die optimale Allokation und Ablaufplanung einer statisch gegebenen Menge von Hardwaretasks zur Entwurfszeit. Die beiden anderen Szenarien gehen von unbekannten zeitlichen Anforderungen aus, wobei das erste von sich schnell ändernden Anfragen ausgeht, während das zweite eher den Fall betrachten soll, bei konstanter Last die Auslastung der Ressourcen zu optimieren.
Implementierung: Die obigen Verfahren werden im Kontext realer Hardware untersucht. Dazu wird ein Testsystem implementiert, in dem die verschiedenen Online-, Offline- und Caching-Algorithmen zur Allokation und Ablaufplanung auf einem Host laufen, der ein kommerzielles FPGA ansteuert. Diese Plattform und die Implementierung der Algorithmen werden als Beweis und Verifikation der Modellannahmen und Rekonfigurationsoverheads dienen.
Anwendung: Schließlich werden die implementierten Algorithmen auf der eben beschriebenen Plattform getestet. Als Anwendungen betrachten wir Anforderungen, die im Zusammenhang mit der Einbettung rekonfigurierbarer Knoten in verteilten Steuerungssystemen entstehen, sog. ReCoNets. Als Anwendungsszenario untersuchen wir die Anforderungen an ReCoNodes, für die in einem Netzwerk neue Hardwaretasks generiert werden. Dies ist realistisch beispielsweise im Bereich der Automobilinnenraumelektronik, für den am Lehrstuhl bereits Vorarbeiten geleistet wurden.
Weitere Informationen sind im WWW unter folgender URL verfügbar:
http://www.reconodes.de
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Teich

Beteiligte:
Prof. Dr. Christophe Bobda, Ali Ahmadinia, M. Sc.,

Laufzeit: 1.6.2003 - 31.5.2005

Förderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft

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