Run-time reconfigurable RTOS for reconfigurable Systems-on-Chip

Abstract

Embedded systems are massively present in our lives and they are becoming omnipresent. This has demanded strong e orts in research for providing new solutions for the challenges faced in the design of such systems. For instance, the requirements of high computational performance and exibility of the contemporary embedded systems are continuously increasing. A single architecture must be able to support, in certain cases, di erent kind of applications with di erent requirements which can start asynchronously and dynamically (changing environments). Recon gurable computing seems to be a potential paradigm for these scenarios as it can provide exibility and high computational performance for modern embedded systems. Of especial interest are those architectures where a microprocessor is tightly connected with a recon gurable hardware (hybrid platform), constituting a so called recon gurable System-on-Chip (RSoC). However, the complexity in designing such systems rises. Therefore, the usage of an Operating System (OS) is essential to provide the necessary abstraction of the computational resources in recon gurable computing. Moreover, due to the intrinsic overhead caused by the recon guration activities and the potential sharing of computational resources the necessity for support provided by an OS is unquestionable. Nevertheless, embedded system platforms lack in computational resources. This fact requires a careful design of an OS for such a system, since it also consumes its resources. Along with the application tasks, the OS can pro t from a RSoC based architecture by recon guring itself over this hybrid platform. Thereby, the OS can make use of the remaining resources that are not currently required by the application for its execution. Within this context, this work presents the design of proper methodologies, strategies, hardware and design support for a proper management of dynamic recon guration activities of a Real-Time Operating System (RTOS) running on a RSoC based platform. The intention thereby, is to promote the self-recon guration of the RTOS services on this hybrid platform, so that the computational resources of this execution platform are used in an e cient way.

Eingebettete Systeme haben eine starke Präsenz in unseren alltäglichen Leben bekommen, in vielen Bereichen sind sie allgegenwartig geworden. Dieses ist eine Herausforderung für die Forschung im Bereich solcher Systeme. Ständig müssen neue adäquate Lösungen gefunden werden. Durch die zunehmenden Anforderungen nimmt die Leistung und Flexibilität bei eingebetteten Systemen ständig zu. Zum Beispiel, eine einzelne Architektur muss in der Lage sein, in bestimmten Fällen, mehrere Applikationen mit verschiedenen Anforderungen zu unterstützen, die asynchron und dynamisch ablaufen können (dynamische Umgebungen). Rekon gurierbare Rechensysteme scheinen ein potentielles Paradigma für diese Szenarien zu sein, weil sie Flexibilität und hohe Rechenleistung für moderne eingebettete Systeme liefern können. Von besonderem Interesse sind jene Architekturen, wo ein Mikroprozessor mit rekon gurierbarer Hardware fest verbunden ist (hybride Plattform). Eine solche hybride Plattform nennt man rekon- gurierbares System-on-Chip (RSoC). Jedoch nimmt die Komplexität in solchen Systemen ständig zu. Deshalb ist die Anwendung eines Betriebssystems (OSs) wesentlich, um eine notwendige Abstraktion von den vorhandenen Ressourcen in rekon gurierbaren Rechensystemen zu ermöglichen. Weiterhin, ist durch die gemeinsame Nutzung von Ressourcen einer solchen Architektur und deren Verwaltung in Bezug auf die Rekon- guration, der Einsatz eines OS zwingend notwendig. Dennoch sind die Ressourcen in eingebetteten Systemen begrenzt. Deshalb muss beim Entwurf eines OS für ein solches System sorgfältig vorgegangen werden, da das OS an sich schon Ressourcen verbraucht. Zusammen mit den Applikationen kann das OS auch von den RSoC Architekturen profitieren dadurch, dass das OS sich selbst auf der hybriden Plattform rekon gurieren kann. Somit kann das OS dieübrigen Ressourcen nutzen, die nicht gegenwärtig von der Applikation benutzt werden. In diesen Rahmen präsentiert die vorliegende Arbeit den Entwurf von geeigneten Methodologien, Strategien, Hardware und Entwurfsunterstützungen für eine geeignete Verwaltung von dynamischen Rekon gurierungsaktivit äten eines Echtzeitbetriebssystems (RTOSs), das auf einer RSoC basierten Plattform läuft. Die Intention dabei ist es die Selbst-Rekon guration der RTOS Dienste auf einer hybriden Plattform zu ermöglichen, wodurch die vorhandenen Ressourcen der Plattform e ektiv ausgenutzt werden können.

Sistemas embarcados estão cada vez mais presentes em nossas vidas e estão se tornando onipresentes. Este fato tem demandado grandes esforços em pesquisa para criação de propostas e soluções para os desafios gerados no desenvolvimento destes sistemas. Por exemplo, uma arquitetura moderna de sistemas embarcados requer alto poder de computação e também grande exibilidade, e a demanda por estes requisitos tem crescido constantemente. Uma única arquitetura deve executar, em certos casos, diferentes aplicações com diferentes requisitos e com inicio de execução indeterminado, caracterizando desta maneira um ambiente dinâmico. A computação reconfigurável aparece como um paradigma promissor para estes casos pois consegue prover alto poder de computação juntamente com exibilidade requeridas pelos sistemas embarcados modernos. Especialmente interessantes são arquiteturas baseadas em System-on-Chip reconfiguráveis (RSoC), nas quais um microprocessador está fortemente conectado a um hardware reconfigurável (plataforma híbrida). Porém a complexidade no desenvolvimento destes tipos de sistemas cresce, tornando o uso de um sistema operacional (SO) indispensável. Entretanto, uma plataforma de execução de um sistema embarcado sofre pela escassez de recursos. Este fato exige um cuidado especial no desenvolvimento de um SO uma vez que este também usa os recursos desta plataforma. Juntamente com as tarefas da aplicação, o SO também pode tirar proveito de uma plataforma baseada em RSoC onde este é capaz de se auto reconfigurar sobre esta plataforma híbrida. Deste modo, o SO pode usar os recursos computacionais, correntemente não requeridos pelas aplicações, para a sua execução. Dentro deste contexto, este trabalho apresenta o design de metodologias, estratégias e suporte em hardware e software para o gerenciamento apropriado das atividades de reconfigurações dinâmicas de um sistema operacional de tempo-real (RTOS), que é executado em uma plataforma baseada em RSoC. A intenção com isto é a de proporcionar ao RTOS meios com os quais este é capaz de se auto reconfigurar nesta arquitetura híbrida com a intenção de atingir um uso mais eficiente dos recursos computacionais desta plataforma de execução.