Hardware/Software Design Exploration Towards Resource Isolation and Performance Improvement in SoC FPGAs

Χατζηστυλιανός, Αλέξης; Chatzistylianos, Alexis

dc.contributor.author	Χατζηστυλιανός, Αλέξης	el
dc.contributor.author	Chatzistylianos, Alexis	en
dc.date.accessioned	2019-09-12T07:24:26Z
dc.date.available	2019-09-12T07:24:26Z
dc.date.issued	2019-09-12
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49208
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15880
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	SoC FPGA	el
dc.subject	Απομόνωση	el
dc.subject	Επίδοση	el
dc.subject	Συμμετρική και ασύμμετρη πολυεπεξεργασία	el
dc.subject	Σχεδίαση υλισμικού/λογισμικού	el
dc.subject	SoC FPGA	en
dc.subject	Isolation	en
dc.subject	Performance	en
dc.subject	Symmetric and asymmetric multiprocessing	en
dc.subject	Hardware/software design	el
dc.title	Hardware/Software Design Exploration Towards Resource Isolation and Performance Improvement in SoC FPGAs	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Προγραμματισμός υλισμικού/λογισμικού	el
heal.classification	Hardware/software programming	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-04-18
heal.abstract	Στις μέρες μας, ένας μεγάλος αριθμός εφαρμογών πρέπει να διαχειρίζεται μία συνεχή ροή δεδομένων και να την επεξεργάζεται κατάλληλα ώστε να ικανοποιούνται οι επιθυμητές απαιτήσεις. Είτε η ροή αυτή αντιστοιχεί σε πληροφορία που μεταδίδεται μέσω μίας τηλεπικοινωνιακής υποδομής, σε μετρήσεις που παράγονται από έναν αισθητήρα ή σε δεδομένα που δημιουργούνται από οποιαδήποτε άλλη πηγή, απαιτείται συχνά να την επεξεργαζόμαστε αποτελεσματικά και αδιάλειπτα, ενώ πολλαπλές κρίσιμες εργασίες πραγματικού χρόνου εκτελούνται ανεξάρτητα μεταξύ τους. Όταν το πρόβλημα που περιγράφεται παραπάνω αντιμετωπίζεται με χρήση παραδοσιακών συστημάτων επεξεργασίας, εμφανίζονται διάφοροι περιορισμοί ως προς την απομόνωση των εργασιών και την επίδοση του συστήματος. Σε περίπτωση που εμπλέκεται ένα ενσωματωμένο σύστημα, ενδέχεται να εμφανιστούν και θέματα όπως η κατανάλωση ισχύος και η φορητότητα. Κατά συνέπεια, άλλες τεχνολογίες θα πρέπει να εξεταστούν για την υλοποίηση τέτοιων εφαρμογών. Τα SoC FPGAs φαίνονται ως μία ιδανική λύση, δεδομένου ότι παρέχουν ισχυρή ψηφιακή επεξεργασία σήματος στο υλισμικό, σε συνδυασμό με την ευελιξία και τη δυνατότητα πολλαπλής επεξεργασίας ενός πολυπύρηνου επεξεργαστή, καθώς και ένα ευρύ σύνολο περιφερειακών για λειτουργίες υψηλού επιπέδου. Ωστόσο, προκειμένου να καταλήξουμε σε μία ικανοποιητική λύση, πρέπει σαφώς να λάβουμε υπόψη την απομόνωση των πόρων και τη βελτιστοποίηση της απόδοσης. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία, σχεδιάζεται και υλοποιείται σε ένα διπύρηνο SoC FPGA μία δοκιμαστική υποδομή κατάλληλη για μία τηλεπικοινωνιακή εφαρμογή. Αποτελείται από έναν πομπό και έναν δέκτη δεδομένων, καθένας εκ των οποίων τρέχει σε ξεχωριστή CPU. Μία ροή δεδομένων υπόκειται σε επεξεργασία στο FPGA και μεταφέρεται από τη μία πλευρά στην άλλη, ενώ κάθε πυρήνας είναι υπεύθυνος για την εκτέλεση των δικών του ανεξάρτητων εργασιών στα δεδομένα. Το σύστημα αναπτύσσεται στην αναπτυξιακή πλακέτα Zybo, η οποία βασίζεται στo Zynq-7000 All Programmable SoC. Επιχειρούνται βελτιστοποιήσεις τόσο από την πλευρά του υλισμικού όσο και του λογισμικού, ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις μίας πιθανής πραγματικής εφαρμογής. Πρώτον, διερευνάται η σχεδίαση του υλισμικού, με στόχο τη μεγιστοποίηση του ρυθμού μεταφοράς των δεδομένων. Στη συνέχεια, υλοποιούνται δύο διαφορετικά σχήματα, από άποψη λειτουργικών συστημάτων: ένα ενιαίο περιβάλλον Linux που εφαρμόζεται και στους δύο πυρήνες και μία αρχιτεκτονική Linux/FreeRTOS, όπου κάθε πυρήνας τρέχει το δικό του ξεχωριστό λειτουργικό σύστημα. Τέλος, και τα δύο σχήματα δοκιμάζονται στην αναπτυγμένη εφαρμογή και συγκρίνονται σχετικά με την απομόνωση και την απόδοση. Πραγματοποιείται μία σειρά από πειράματα που τοποθετούν το σύστημα σε διαφορετικά σενάρια. Οι μετρήσεις και τα συμπεράσματα που προκύπτουν παρουσιάζονται για την αξιολόγηση του συστήματος και στις δύο περιπτώσεις.	el
heal.abstract	Nowadays, a vast number of applications need to manage a continuous stream of data and process it appropriately to meet the desired requirements. Whether this stream corresponds to information transmitted through a telecom infrastructure, measurements generated by a sensor or data created by any other source, it is often required to process it efficiently and uninterruptedly, while multiple critical real-time tasks are executed independently. When dealing with the problem described above in traditional processing systems, engineers are faced with various limitations in terms of task isolation and performance. In case an embedded system is involved, issues like power consumption and portability may also appear. Consequently, other technologies should be considered as target platforms for such applications. Multicore SoC FPGAs, in particular, seem to be an ideal solution, since they provide powerful Digital Signal Processing (DSP) in hardware, combined with the flexibility and multiprocessing features of a multicore processor, as well as a rich set of peripherals for high-level functions. However, in order to end up with a satisfying solution, resource isolation and performance optimization still need to be taken into consideration. In this thesis, a testbed suitable for a telecom application is designed and implemented on a dual-core SoC FPGA. It consists of a transmitter and a receiver of data, each one running on a separate CPU core. A stream of data is processed in the FPGA and transferred from one side to another, while each core is responsible for executing its own independent tasks on data. The system is deployed on the Zybo development board, which is built around the Zynq-7000 All Programmable SoC device. Optimizations are attempted both from hardware and software perspectives, to satisfy the requirements of a potential real-life application. First, an exploration is done on the hardware design, aiming to maximize the throughput of the data transfers. Then, two different configurations are implemented, in terms of operating systems: a single Linux environment running on both cores and a Linux/FreeRTOS architecture, where each core runs its own separate operating system. Finally, both configurations are tested on the developed application and compared, with respect to isolation and performance. A number of experiments are conducted to place the system in different scenarios. The resulting measurements and conclusions are presented in order to evaluate the system in both cases.	en
heal.advisorName	Σούντρης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Πεκμεστζή, Κιαμάλ	el
heal.committeeMemberName	Γκούμας, Γεώργιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Τεχνολογίας Πληροφορικής και Υπολογιστών. Εργαστήριο Μικροϋπολογιστών και Ψηφιακών Συστημάτων VLSI	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	76 σ.
heal.fullTextAvailability	true