Erprobung und Evaluierung von Methoden zur partiellen und dynamischen Rekonfiguration eines SoC-FPGAs

Abstract

Diese Arbeit umfasst die Realisierung eines FPGA-basierten SoC, mit dem sich mehrere SW-Anwendungen durch zur Laufzeit geladene HW-Module beschleunigen lassen. Es werden verschiedene Rekonfigurationsarchitekturen vorgestellt und miteinander verglichen. Aufbauend auf der selbstrekonfigurierenden SoC-Architektur wird ein μBlaze-System mit einer partiell rekonfigurierbaren Region (PRR) anhand der Xilinx Werkzeugkette zur partiellen Rekonfiguration entwickelt. Die partielle Rekonfiguration wird durch eine eingebettete Testapplikation verifiziert, die zwei partiell rekonfigurierbare Module (PRM) gegenseitig zur Laufzeit des Systems austauscht. Mit der Petalinux Distribution wird ein μCLinux-Kernel für das μBlaze-System konfiguriert. Dieses SW-System bildet die Plattform für die Ausführung mehrerer SW-Anwendungen. Dem Linux-Kernel wird zusätzlich ein Treiber zur Anbindung der internen Rekonfigurationsschnittstelle des FPGAs (Internal Configuration Access Port) angepasst und hinzugefügt, womit die Rekonfigurationsmechanismen für SW-Anwendungen bereitgestellt werden. Das μCLinux-PR-System wird auf der Xilinx ML-505 Evaluierungsplattform integriert und getestet. Zusätzlich wird das Verfahren zur Erstellung eines selbstrekonfigurierenden μBlaze-Systems für folgende Projekte an der HAW Hamburg aufbereitet. Diese Arbeit öffnet den Weg für partiell rekonfigurierbare Anwendungen im Bereich der Eingebetteten Systeme. Das entwickelte μCLinux-PR-System bietet eine Plattform zur Beschleunigung von SW und Einsparung von HW-Ressourcen.

This work includes the implementation of a FPGA-based SoC that enables the acceleration of multiple sw applications by hw modules loaded at runtime. Various reconfiguration architectures are presented and compared. Based on the self reconfiguring SoC architecture a μBlaze system including a partially reconfigurable region (PRR) is developed using the Xilinx tool chain for partial reconfiguration. The partial reconfiguration is verified by an embedded test application that replaces one partially reconfigurable module (PRM) by the other at system runtime. With the Petalinux distribution a μCLinux kernel for the μBlaze system is configured. This sw system is the platform for the execution of multiple software applications. The Linux kernel is also adapted and added a driver for connecting the internal reconfiguration interface to the FPGA (Internal Configuration Access Port), that provides the mechanism for reconfiguration to sw applications, as well. The μCLinux-PR system is integrated and tested on the Xilinx ML-505 evaluation platform. In addition, the procedure of implementing a self-reconfiguring μBlaze system is developed for following projects at the HAW Hamburg. This work opens the way for partially reconfigurable applications in the field of Embedded Systems. The developed μCLinux-PR system provides a platform for accelerating sw and reducing hw resources.