Conceptual design and realization of a dynamic partial reconfiguration extension of an existing soft-core processor

Kerling, Philipp

Viele aktuelle Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) unterstützen die Technik der partiellen Rekonfiguration (PR), durch die dynamisch zur Laufzeit ein Hardware-Design auch nur teilweise ausgetauscht werden kann. Die vorliegende Arbeit integriert PR-Funktionalität in die an der Technischen Universität Ilmenau für harte Echtzeitaufgaben mit hochpräzisen Fließkommaberechnungen entwickelte VHDL Integrated Softcore Architecture for Reconfigurable Devices (ViSARD). Zu diesem Zweck wird die arithmetisch-logische Einheit angepasst, um das Auswechseln von Fließkomma-Ausführungseinheiten zu ermöglichen. Ziele der Entwicklung des PR-Systems sind hohe Geschwindigkeit, niedrige Latenz, niedrige Ressourcenkosten und harte Echtzeitfähigkeit. Erreicht werden diese durch die Umsetzung einer eigenen Steuereinheit (partial reconfiguration controller), die partielle Bitströme aus externem RAM über einen standardmäßigen AXI-Bus lädt sowie die entsprechende Erweiterung der ViSARD. In einem Testdesign, das zwischen drei verschiedenen Konfigurationen mit je zwischen einer und drei Ausführungseinheiten wechselt, hat das entwickelte PR-System den maximal spezifierten Bitstromdurchsatz auf dem Ziel-FPGA erreicht und den Verbrauch an Lookup-Tabellen um etwa 40 % verringert.

Many modern field-programmable gate arrays (FPGAs) support partial reconfiguration, which allows to dynamically replace only a part of a design at run time. In this thesis, partial reconfiguration capability is integrated with the VHDL Integrated Softcore Architecture for Reconfigurable Devices (ViSARD) developed at Technische Universität Ilmenau and conceived for hard real-time tasks requiring floating-point calculations with high precision. Specifically, its arithmetic logic unit is modified to allow exchanging floating-point arithmetic execution units. Design goals of the partial reconfiguration system are high speed, low latency, low resource overhead, and hard real-time capability. They are reached by implementing a custom partial reconfiguration controller loading partial bitstreams from external RAM over a standard AXI bus and extending the ViSARD appropriately. In a test design that switched between 3 different configurations each containing between 1 and 3 execution units, the proposed partial reconfiguration system achieved the maximum specified bitstream throughput on the target FPGA and allowed for roughly 40 % reduced look-up table usage.

Zitieren

Zitierform:

Kerling, Philipp: Conceptual design and realization of a dynamic partial reconfiguration extension of an existing soft-core processor. Ilmenau 2019.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export