Suporte de sistema operacional para reconfiguração dinâmica de componentes de hardware para sistemas embarcados

Abstract

As vantagens que podem ser obtidas com a utilização de computação reconfigurável são largamente conhecidas. No escopo de sistemas embarcados, a utilização dessa tecnologia pode trazer boas respostas para duas questões recorrentes na área: desempenho e consumo de energia. Contudo, sua utilização ainda está longe das prateleiras, limitando-se a incontáveis projetos de pesquisa. Isso se dá, em parte, pelo aumento da complexidade de desenvolvimento de tais sistemas. Uma maneira de diminuir a complexidade de desenvolvimento de sistemas embarcados é através de sistemas operacionais, que provêem abstrações, tanto de hardware quanto de software, para o desenvolvimento da aplicação e ainda permitem alcançar um nível maior de portabilidade da solução. Estendendo-se sistemas operacionais para dar suporte a hardware reconfigurável, provendo esses dispositivos como uma abstração de alto nível, pode-se diminuir a complexidade de desenvolvimento de sistemas embarcados reconfiguráveis. Com esse intuito, foi desenvolvido um suporte à reconfiguração de hardware no contexto do sistema operacional EPOS. Esse suporte estende o gerenciador de energia do EPOS, que permite a propagação de comandos para trocas de modo de operação pelos diversos componentes do sistema, para realizar as operações de hibernar e acordar o sistema como um todo. Essas operações são necessárias devido à utilização do método de diferenciação para gerar bitstreams parciais, o que produz resultados imprevisíveis que podem afetar o processador softcore sobre o qual o sistema operacional executa. Entretanto, tal abordagem possui vantagens que não podem ser ignoradas no contexto de sistemas embarcados, como simplificação significativa no projeto do hardware e melhor portabilidade da implementação do hardware entre diferentes modelos de FPGAs. A implementação presente neste trabalho mostra que pode-se chegar a uma plataforma arquiteturalmente independente, utilizando reconfiguração baseada em diferença, e sua viabilidade de utilização em sistemas embarcados reconfiguráveis.

The advantages obtained by using reconfigurable computing are largely known. This technology can provide good answers for two recurring problems for embedded systems: performance and energy consumption. However, its utilization is happening almost exclusively in research projects, far away from the shelves. This is partially due to the increase of complexity for developing such systems. One way to diminish the development complexity of embedded systems is through operating systems, that provide software and hardware abstractions to the application development and improve the solution#s portability. By extending operating systems to support reconfigurable hardware, providing it as an high level system abstraction, the complexity of developing reconfigurable embedded systems can be reduced. With this intent, a reconfigurable hardware support was developed inside the EPOS operating system. This support extends EPOS# power manager, which propagates commands for operation mode changes through the system components, to allow the hibernation and wake up of the system. This operations are necessary due to the utilization of difference based partial reconfiguration, which produces unpredictable bitstream results that may affect the softcore processor that runs the operating system. Nevertheless, this approach presents some advantages that cannot be ignored when developing reconfigurable embedded systems, such as simplifying the hardware design and improving its portability between different FPGA models. The implementation in this work shows that we can reach an architecturally independent platform, using difference-based partial reconfiguration, and its feasibility in reconfigurable embedded systems.