Herconfigureerbare Hardware in Ieders Bereik

Transcriptie

1 Herconfigureerbare Hardware in Ieders Bereik Prof. Dirk Stroobandt Universiteit Gent Vakgroep ELIS Onderzoeksgroep PARIS Overzicht Nood aan digitale verwerking van gegevens Voordelen van FPGA s Wat is een FPGA? Hoe programmeer je een FPGA? Toepassingen in PARIS 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 2

2 Inleiding 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 3 Inleiding 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 4

3 Huidige (ingebedde) systemen Sensor A/D µ-processor DSP Actuator D/A ASIC MEMS 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 5 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 6

4 Tegenstrijdige eisen Multimedia-toepassingen (op mobiele toestellen) Vereisen enorme rekenkracht (in ware tijd) + - * > Hardware (HW) Geen overbodige functionaliteit noch verbindingen Massaal parallel Geen configuratie Vaste structuur Veel parallellisme Te duur 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 7 Tegenstrijdige eisen Multimedia-toepassingen (op mobiele toestellen) Vereisen flexibiliteit, veranderingen tijdens de uitvoering µprocessor Software (SW) D$ Rf + - * > ID Zeer flexibel Weinig parallellisme Te traag Sw I$ Programmeerbaar Sequentieel Instructiestroom n 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 8

5 Nood aan flexibiliteit Waarom is zo veel flexibiliteit nodig? Tijdsmultiplexering van hardwaremiddelen Nieuwe toepassingen moeten op de toestellen kunnen draaien HW moet optimale efficiëntie hebben voor elke toepassing Schaalbare toepassingen laten toe de QoS aan te passen aan de noden van het moment? 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 9 Tegenstrijdige eisen Multimedia-toepassingen (op mobiele toestellen) Vereisen flexibiliteit, veranderingen tijdens de uitvoering Vereisen enorme rekenkracht (in ware tijd) Software (SW) Conflict Hardware (HW) Zeer flexibel Weinig parallellisme Te traag Flexibel Veel parallellisme Ideaal Nieuwe optie: FPGA s Field Programmable Gate Array : Grote matrix van hardware-blokken met herconfigureerbare functies en verbindingen Vaste structuur Veel parallellisme Te duur 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 10

6 Overzicht Nood aan digitale verwerking van gegevens Voordelen van FPGA s Wat is een FPGA? Hoe programmeer je een FPGA? Toepassingen in PARIS 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 11 Voordelen van FPGA s De ontwerpstappen voor digitaal ontwerp Systeemspecificatie Functioneel ontwerp Logisch ontwerp X=(ABCD+A+D+A(B+C)) Y=(A(B+C)+AC+D+A(BC+D)) Circuitontwerp Fysisch ontwerp Fabricatie Inpakken en testen 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 12

7 Voordelen van FPGA s In ASIC s: poorten worden als transistorschakelingen op de chip gebakken Circuitontwerp 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 13 Voordelen van FPGA s In FPGA s: poorten worden als waarheidstabel geïmplementeerd waarbij de uitgangswaarden in flip-flops (geheugens) na fabricatie opgeslagen (en gewijzigd) kunnen worden. a b c d uit a b c d uit mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 14

8 Energie-flexibiliteitconflict Power efficiency (MOPS/mWatt) 1000 Source: T.Claasen et al. (ISSCC99) Intrinsic power efficiency of 32 b silicon AmI hardwired muxed reconfigurable computing ISProcessors microprocessors DSP-ASIP s feature size(µm) 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 15 Prijsvoordeel FPGA s 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 16

9 Overzicht Nood aan digitale verwerking van gegevens Voordelen van FPGA s Wat is een FPGA? Hoe programmeer je een FPGA? Toepassingen in PARIS 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 17 Wat is een FPGA? Chip met programmeerbare logische blokken verbindingen Oorspronkelijk enkel opzoektabellen verbindingsmatrices CLB CLB CLB CLB CLB CLB Programmeren door lange bitsequenties aan te leggen (leggen functies EN verbindingen vast) 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 18

10 Wat is een FPGA? Hedendaagse FPGA s hebben ook Voorbestemde blokken zoals vermenigvuldigers Gedistribueerd geheugen (registers) Blokken RAM-geheugen Speciale I/O-blokken DSP-blokken Processoren (PowerPC - ARM) Voorbeelden: Xilinx Virtex II FPGA s Altera Stratix II FPGA s 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 19 Virtex II Configurable Logic Block (CLB) 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 20

11 Virtex II Slice (gesimplificeerd) Opzoektabellen (LUT) F en G kunnen gebruikt worden om elke Boolese functie van 4 variabelen te berekenen of als geheugenblokjes. 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 21 VIRTEX II slice 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 22

12 VIRTEX II overzicht 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 23 VIRTEX II block selectram 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 24

13 VIRTEX II Routing Architecture 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 25 VIRTEX II Routing Architecture 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 26

14 Virtex II Pro bevat tot 4 PowerPC processor cores 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 27 Stratix II 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 28

15 Een gloednieuw FPGA-bord 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik * > De drie berekeningsvormen Processor Herconfigureerbaar ASIC D$ Rf + > + - * > * * > ID Sw I$ n Configuration 1 0 Sw Programeerbaar Sequentieel Zeer veel toepassingen Weinig efficiënt Configureerbaar Algoritme parallel uitgevoerd Groot aantal toepassingen Vrij efficiënt Geen configuratie Massaal parallel Eén toepassing Zeer efficiënt 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 30

16 En allerlei tussenvormen Processor Herconfigureerbaar ASIC D$ Rf + > + - * > * * > ID Sw I$ n Configuration 1 0 Sw DSP-Processor Structured ASIC 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 31 Overzicht Nood aan digitale verwerking van gegevens Voordelen van FPGA s Wat is een FPGA? Hoe programmeer je een FPGA? Toepassingen in PARIS 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 32

17 Hoe programmeer je een FPGA? mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 33 Opstelling: FPGA-bord in computer 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 34

18 Hardware-beschrijving (VHDL) 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 35 Programma ontwerpt de hardware 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 36

19 Resultaat van plaatsing (simulatie) 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 37 Resultaat van plaatsing (simulatie) 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 38

20 Resultaat van plaatsing (simulatie) 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 39 Resultaat na configuratie (opgemeten) 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 40

21 Overzicht Nood aan digitale verwerking van gegevens Voordelen van FPGA s Wat is een FPGA? Hoe programmeer je een FPGA? Toepassingen in PARIS 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 41 Toepassingen in PARIS MP3-speler (studententhesis ) 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 42

22 Ongecomprimeerde beelden Gecomprimeerde beelden Toepassingen in PARIS Inverse Wavelet wavelettr. T. Implementatie schaalbare videocodec Meer info: of I n p a k k e n U i t p a k k e n Verzenden bitstroom 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 43 Toepassingen in PARIS Transparante communicatie tussen Java en herconfigureerbare hardware JIT-compiler Geïnterpreteerd Bewegingsschatting Wavelettransformatie Transform Entropieencodering Bewegingsvectorencodering Motion Vector Encoding Bewegingscompensatie Motion Comp. Entropiedecodering Entropy Decoding Bewegingsvectordecoding Motion Vector Decoding Machinecode Bytecode HW-compiler Bitstroom Meer info: Philippe.Faes@elis.Ugent.be 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 44

23 Conclusies Herprogrammeerbare componenten hebben veel betere prestaties dan een processor veel meer flexibiliteit dan een ASIC Herprogrammeerbare componenten zijn goedkoper dan ASICs voor oplagen tot a stuks kunnen veel sneller geprogrammeerd worden dan een ASIC gefabriceerd Herprogrammeerbare componenten zijn zeer geschikt voor KMO s (en universiteiten) 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 45 Vragen? Prof. Dirk Stroobandt Universiteit Gent Vakgroep ELIS Onderzoeksgroep PARIS Wie zelf in de praktijk wil leren hoe FPGA s geprogrammeerd en gebruikt kunnen worden, kan begin 2006 de IVPV-opleiding Ontwerpmethodologie voor ingebedde elektronische systemen volgen. 12 mei 2005 Dirk Stroobandt: FPGA's in ieders bereik 46