Ferramentas de síntese de sistemas digitais baseados em componentes lógicos dinamicamente reconfiguráveis

Abstract

O trabalho apresentado nesta tese incide sobre a utilizac¸ ˜ao de dispositivos l ´ogicos program´aveis, em especial, sobre a utilizac¸ ˜ao de dispositivos l ´ogicos program´aveis reconfigur´aveis dinamicamente e parcialmente. A reconfigurac¸ ˜ao dinˆamica e parcial de um dispositivo l ´ogico program´avel permite a multiplexagem no tempo dos recursos reconfigur´aveis do dispositivo para a implementac¸ ˜ao de blocos distintos da aplicac¸ ˜ao, diminuindo o n´umero de recursos necess´arios. Este tipo de dispositivos permite ainda a utilizac¸ ˜ao de arquitecturas altamente especializadas, pois estas n˜ao necessitam de se adaptar a diferentes utilizac¸ ˜oes. A adaptac¸ ˜ao ´e realizada atrav´es da reconfigurac¸ ˜ao do dispositivo. Apesar de todas as suas potencialidades, a utilizac¸ ˜ao pr´ atica de reconfigurac ¸ ˜ao dinˆamica e parcial, est´a ainda limitada a alguns projectos de investigac¸ ˜ao. Esta limitac¸ ˜ao deve-se `a complexidade acrescida, que a considerac¸ ˜ao da evoluc¸ ˜ao temporal e das interacc¸ ˜oes entre configurac¸ ˜oes parciais introduz no projecto destes sistemas, `a falta de capacidade das ferramentas de desenvolvimento para tratarem, de modo eficaz, essa complexidade e ao reduzido suporte dos dispositivos para este tipo de aplicac¸ ˜oes. No ˆambito desta tese foi desenvolvido um modelo formal de uma configurac¸ ˜ao parcial e das principais operac¸ ˜oes realizadas sobre este tipo de configurac¸ ˜oes designado A´ lgebra de Configurac¸o˜es Parciais. Este modelo permite a enunciac¸ ˜ao, de modo preciso, de algumas das propriedades dos sistemas reconfigur´aveis dinamicamente. Foi tamb´em desenvolvido um conjunto de ferramentas de software que implementa as operac¸ ˜oes, definidas de forma abstracta na A´ lgebra de Configurac¸o˜es Parciais, para as configurac¸o˜es parciais da fam´ılia de FPGAs XC6200. Este conjunto de ferramentas permite a manipulac¸ ˜ao de configurac¸ ˜oes parciais com um elevado controlo sobre o resultado final. Sendo a implementac¸ ˜ao de unidades de controlo com utilizac¸ ˜ao de reconfigurac ¸ ˜ao dinˆamica um dos objectivos deste trabalho, foi realizado um estudo sobre m´etodos de especificac¸ ˜ao deste tipo de sistemas. Este estudo caracterizou os m´etodos de especificac¸ ˜ao atrav´es da sua modularidade e ainda do seu poder de expressividade algor´ıtmica. No caso dos Esquemas de Grafos Hier´arquicos foi definida, de modo formal, uma semˆantica de execuc¸ ˜ao. O estudo efectuado concluiu que o poder de expressividade algor´ıtmica dos Esquemas de Grafos Hier´arquicos ´e superior ao dos m´etodos de especificac¸ ˜ao mais comuns. Em termos de modularidade destaca-se a superioridade dos Esquemas de Grafos Hier´arquicos e dos Statecharts. A implementac¸ ˜ao de unidades de controlo com utilizac¸ ˜ao de reconfigurac¸ ˜ao dinˆamica foi realizada tomando como tecnologia alvo a fam´ılia de FPGAs XC6200. Para o efeito foi desenvolvida uma metodologia, uma arquitectura e um conjunto de ferramentas que suportam o desenvolvimento deste tipo de circuitos. A metodologia desenvolvida utiliza a A´ lgebra de Configurac¸o˜es Parciais para a enunciac¸ ˜ao das propriedades do sistema e para a gerac¸ ˜ao das configurac¸ ˜oes parciais atrav´es da operac¸ ˜ao de filtragem de configurac¸ ˜oes. A implementac¸ ˜ao de unidades de controlo reconfigur´aveis n˜ao ´ e, no entanto, competitiva, em termos de desempenho, com unidades de controlo implementadas de modo mais tradicional. A principal vantagem deste tipo de implementac¸ ˜ao resulta da flexibilidade acrescida fornecida pela possibilidade de alterac¸ ˜ao do comportamento da unidade de controlo pela simples definic¸ ˜ao de um novo conjunto de configurac¸ ˜oes parciais.

The work presented in this thesis is concerned with the use of Programmable Logic Devices and in particular the use of Dynamically and Partially Programmable Logic Devices. The dynamic and partial reconfiguration of a programmable logic device allows time multiplexing of the devices’ reconfigurable resources, decreasing the total number of resources needed. This type of devices can also be used with deeply optimised architectures, because the architecture doesn’t need to be adapted to different utilizations. The adaptation is achieved through device reconfiguration to a different architecture. Despite all its advantages, the practical utilization of dynamic reconfiguration is restricted to a few research projects. This is the result of the increased complexity that the consideration of temporal evolution and partial configuration interaction produces in the development of this type of systems, the lack of development tools that may efficiently cope with that complexity, and the lack of support of the programmable devices for this type of application. Throughout this thesis an original formal model for partial configuration and its main operations has been developed. This model is named Algebra of Partial Configurations. It allows the precise description of some properties of dynamically reconfigurable systems. A set of software tools has been developed that implements the operations, formally defined in the Algebra, to the partial configurations of the XC6200 FPGA family. These tools allow the manipulation of partial configurations with absolute control over the final result. One of the objectives of this work is the development of reconfigurable control units. A study on the control unit specification methods has been developed in order to characterize the algorithmic expressive power and the modularity of each method. In the case of Hierarchical Graph Schemes a novel formal execution semantics has been developed. The study led to the conclusion that Hierarchical Graph Schemes have a superior algorithmic expressive power. Hierarchical Graph Schemes and Statecharts are the best methods in terms of modularity. The implementation of reconfigurable control units has been performed using the XC6200 FPGA as target technology. A methodology, architecture and set of tools have been developed in order to support the development of this type of circuits. The development of these circuits uses the Algebra of Partial Configurations to describe the circuit properties and by using the filtering operation to generate the partial configurations. The implementation of reconfigurable control units is not, however, competitive, in terms of performance, with more traditional implementations. The advantage of this type of implementation comes from the increased flexibility resulting from the possibility of changing the behaviour of the control unit by simple redefinition of the set of partial configurations.