Ανάπτυξη εικονικής μηχανής για ετερογενή ενσωματωμένα συστήματα

Abstract

Τα ενσωματωμένα συστήματα στη σημερινή τους μορφή παρέχουν μεγάλο εύρος δυνατοτήτων και υψηλή απόδοση. Ωστόσο τους ζητείται να ικανοποιήσουν αντιτασσόμενους περιορισμούς στη συμπεριφορά τους, ενώ η αγορά απαιτεί σύντομους χρόνους ζωής. Λόγω αυτών των αναμεμειγμένων και αντιτασσόμενων περιορισμών, το σχεδιαστικό πρότυπο που έχει επικρατήσει είναι ο διαμοιρασμός της λειτουργικότητας του λογισμικού, πάνω σε ετερογενές υλικό. Ωστόσο αυτό το σχεδιαστικό πρότυπο δημιουργεί υψηλή πολυπλοκότητα, τόσο στον αρχικό σχεδιασμό, όσο και στη συντήρηση και αναβάθμιση του συστήματος. Η αφαίρεση (abstraction) που παρέχουν οι εικονικές μηχανές μπορεί να απομονώσει τον προγραμματιστή απο αυτήν την πολυπλοκότητα. Σε αυτήν την εργασία προτείνουμε μια αρχιτεκτονική και παρέχουμε μια παραδειγματική υλοποίηση, την Portable Heterogeneous llvm Ir Virtual Machine (PHIVM), σε μια προσπάθεια να μελετηθούν οι επιδράσεις και οι απαιτήσεις των εικονικών μηχανών σε ετερογενή ενσωματωμένα συστήματα. Η PHIVM επιτρέπει την φορητότητα εφαρμογών μεταξύ υπολογιστικών πυρήνων της ετερογενούς πλατφόρμας. Επίσης παρέχει τη δυνατότητα μετανάστευσης εφαρμογών κατα την εκτέλεση τους εντός του συστήματος, ενώ επιτρέπει ελαστικότητα στον σχεδιαστή του συστήματος στην χρήση ήδη υπάρχοντος σεναρίου διεπικοινωνίας. Αυτές οι δυνατότητες δεν απαιτούν αλλαγές στις φιλοξενούμενες εφαρμογές και είναι διαφανείς στην ανάπτυξη τους. Το πλαίσιο βιβλιοθηκών PHIVM βασίζεται στον LLVM, με αποτέλεσμα να υποστηρίζει πολλές γλώσσες προγραμματισμού ως είσοδο, όπως C/C++, Haskell κτλ. Είναι σχεδιασμένο με σκοπό την απλότητα και αποδοτικότητα, ώστε να είναι φορητό σε μεγάλο εύρος υπολογιστικών συστημάτων, παραμένοντας τροποποιήσιμο στις ανάγκες των σχεδιαστών.

Embedded systems of today, provide ample performance and capabilities. They need to satisfy opposing requirements in their behavior while the market demands short lifecycles. Due to these mixed and opposing requirements, the prevalent design pattern is becoming functionality partitioning in software, deployed on heterogeneous platforms.This design pattern though brings significant complexity in initial design as well as in maintenance and upgrade. The inherent abstraction in Virtual Machines can isolate the programmer from much of this complexity. We propose in this work an architecure and provide a reference implementation, the Portable Heterogeneous llvm Ir Virtual Machine (PHIVM), in an effort to study the effects and requirements of Virtual Machines on heterogeneous embedded platforms. PHIVM enables application portability across cores within the heterogeneous platform. It also provides for a task migration capability at runtime within the system, while allowing flexibility to the platform designer in using their already deployed inter-cpu ommunication scheme. These capabilities do not require any change in the VM-hosted application software and are transparent to its development. The PHIVM framework, being based on LLVM supports many input programming languages, such as C/C++, Haskell etc, and is designed to be as simple and efficient as it can be, to be easily portable in a wide variety of platforms while remaining modifiable to designers’ needs.