Sistemi Embedded ed FGPA. Stefano Rinaldi University of Brescia

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1 Sistemi Embedded ed FGPA Stefano Rinaldi University of Brescia

2 I sistemi di calcolo sono ormai ovunque Molti di noi pensano ai classici desktop PC notebook mainframe server Ma non sono gli unici Anzi i più diffusi forse sono altri...

3 Sistemi Embedded: Sistemi di calcolo integrati nei dispositivi elettronici Difficile da definire Praticamente comprende ogni sistema di calcolo che non sia un computer Miliardi di prodotti realizzati ogni anno, molti più dei milioni di PC Ce ne sono decine e decine in ogni nostra abitazione ed automobile

4 Eseguono una singola funzione Eseguono un singolo programma in modo ripetitivo Vincolati da diverse richieste: Low cost, low power, piccoli, veloci, ecc. Reattivi e real-time Devono essere in grado di reagire ai cambiamenti che avvengono attorno a lui Alcuni devono garantire il risultato in real-time senza ritardi variabili Hard vs soft real - time

5 Obiettivo principale del progetto: Sviluppare un dispositivo che supporti le funzionalità volute. Problemi in fase di progetto: Ottimizzare contemporaneamente più vincoli I vincoli di progetto dipendono dalla specifica applicazione

6 Costo Il costo di ogni copia del sistema Costi di progetto Costo dello sviluppo del sistema Dimensione Spazio fisico occupato dal sistema Prestazioni Tempo di esecuzione della logica Consumo Energia complessiva utilizzata dal sistema

7 Flessibilità La capacità del sistema di modificare le funzionalità senza incrementare i costi Time-to-prototype Tempo necessario per realizzare il prototipo funzionante Time-to-market Tempo richiesto per sviluppare un dispositivo che possa essere venduto Manutenibilità La capacità di modificare il sistema dopo il rilascio iniziale Correttezza, sicurezza, ed altro

8 L ottimizzazione delle richieste di solito richiede sia esperti in software che in hardware Non è sufficiente un esperto in uno solo dei campi Un progettista deve conoscere diverse tecnologie per scegliere la migliore per soddisfare le rischieste dell applicazione Hardware/software codesign

9 L architettura del sistema di calcolo utilizzato per implementare le funzionalità richieste dal sistema. Il processore non deve essere riprogammabile Processor non equivale sempre con processore general-purpose.

10 Dispositivo Programmabile utilizzato in diverse applicazioni. Noto anche come microprocessore Funzionalità Memoria Programma ALU generica Basso time-to-market e bassi costi di progetto Alta Flessibilità Il Pentium è il più noto, ma esistono diverse architetture

11 Circuiti digitali progettati per eseguire solo un programma Noti anche come coprocessori, acceleratori, o periferiche Contengono solo i componenti necessari per l esecuzione di un singolo programma Non prevedono memoria programma Veloci Bassi consumi Piccole dimensioni

12 Processori programmabili ottimizzati per una particolare classe di applicazioni Sono un compromesso tra le due categorie viste in precedenza Prevedono una memoria programma DataPath ottimizzato Hanno periferiche dedicate a specifiche funzioni Flessibili, buone prestazioni Ridotte dimensioni e consumi

13 Realizzazione di circuiti digitali dedicati a basso costo Tecnologia adottata per volumi di produzione ridotti (centinaia, migliaia di pezzi) Sostituiscono i circuiti integrati dedicati (ASICs) Diverse famiglie sviluppate negli anni: PLAs (Programmable Logic Arrays) Funzioni Logiche in forma di somma di prodotti; AND e OR programmabili. PALs (Programmable Array Logics) AND programmabili; OR fissi. GAL (Generic Array Logic) Come i PAL ma riprogramambili. CPLD (Complex Programmable Logic Device) Contengono circuiti equivalenti a centinaia di PAL connesse con link programmabili. FPGA (Field Programmable Gate Array)

14 < 1960 singolo transistor : SSI, MSI, LSI (10000 transistor) 1980: Programmable Logic Devices (PLA, PAL) Processori 16-bit, 32-bit (> transistor) 1990: Full custom chip Gate array (semi-custom chips) Field-Programmable Gate Arrays > transistor Primo transistor in silicio, (1954) 2009: > transistor Intel Quad-core Itanium (2 miliardi) Altera Stratix IV (2.5 miliardi)

15 transistor transistor Leading edge chip in 1981 Leading edge chip in 2009

16 Intel i486 (1988) 2300 transistor 1.2 milioni transistor P4 (2000) Core2 Duo (2006) 55 milioni transistor 291 milioni transistor 16

17 2.5 miliardi transistor

18 Dove sono utilizzate le FPGA? Consumer Automotive Test, Measurement & Medical Communications Broadcast Military & Industrial Computer & Storage 18

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21 Set-Top Boxes Touch Panels DVD Players LCD, Plasma Displays/TVs Consumer Music Camcorders Printers Handheld Media Players 21

22 Altera Products: Cyclone III, Stratix II GX, Stratix III 22

23 Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) Le FPGA sono basate su Look-up tables (LUT) Sono utilizzate per realizzare logica digitale molto complessa (es. microprocessori) Tipica architettura: Configurable Logic Block (CLB) Switch Matrix Input/Output Block Evoluzione recente: Blocchi di memoria Moltiplicatori/Moduli DSP, ecc.. Realizzazione di System On Chip (SoC)

24 Una Lookup table (LUT) implementa qualsiasi funzione logica a 4 ingressi LE delle nuove FPGA sono molto più complesse!!

25 IO cells Logic array block (LAB) Logic element LAB Programmable switch

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30 Problema: Creare una applicazione in grado di processare molti dati velocemente Come? Alternative: Processore? Facile scrivere il codice, scarse prestazioni, elevato consumo Gate Array (ASIC)? Alte prestazioni, basso consumo, difficile da progettare, costoso da realizzare Field-Programmable Gate Array? nessun sviluppo hw, facile da sviluppare il codice, alte prestazioni, bassi consumi

31 Ethernet MAC Audio Codec CLK CLK Power Supply CLK GP I/O Address Decode Unit Memory Controller CPU (up / DSP) Interrupt Controller Co- Proc. UART custom IF-logic Timer L C SRAM SRAM SRAM SDRAM SDRAM Display Controller

32 Ethernet MAC FPGA Audio Codec CLK CLK Power Supply CLK GP I/O Address Decode Unit Memory Controller CPU (up / DSP) Interrupt Controller Co- Proc. UART custom IF-logic Timer L C SRAM SRAM SRAM SDRAM SDRAM Display Controller

33 Audio Codec EPROM Power Supply L C SRAM SRAM SRAM SDRAM SDRAM

34 Le prestazioni delle attuali FPGA sono tali da permettere l integrazione di processori al loro interno E possibile ottimizzare l hardware al fine di soddisfare i vincoli progettuali della specifica applicazione Diverse strategie: Processore descritto in codice VHDL Microprocessori integrati nell FPGA Soft-processor (NiosII, Microblaze, etc..)

35 In VHDL è possibile descrivere un microprocessore che va integrato con il resto del progetto Sono disponibili i sorgenti VHDL/Verilog per diverse architetture famose : 68hc5, 68hc8, 8051, 8080, z80, etc Li trovate anche: Richiedono l utilizzo dell ambiente di programmazione del microprocessore Compilatore Programmatore Etc..

36 Cyclone 5 SE, SX, TX, Altera Fino a elementi logici Massima Frequenza operativa 550 MHz Blocchi RAM con clock fino a 550 MHz IO speciale fino a 5 Gbps Ethernet MAC integrati (SPI, USB, ecc..) DSP (Digital Signal Processor) floating point Moduli DSP fino a 500 MHz Dual-core ARM Cortex-A9 MPCore processor fino a 800 MHz

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41 Intellectual Proprierties (IP) Core Architettura RISC pipelined Istruzioni e dati a 32-bit Fino a 32 Interrupt con Priorità Cache Istruzioni e Dati opzionale Custom Instruction (es. big endian <-> little endian) Predizione dei Salti MMU e MPU opzionali Supporto di architetture Multi-Processor Può supportare OS (Operating System) dedicati (µc/osii) general purpose OS (µlinux/linux) hard real-time OS (Xenomai)

42 Cyclone II 20 Stratix IV ,752 LEs 820,000 LEs 42

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45 Il processore Nios II è disponibile in tre versioni tra di loro compatibili Software FAST: ottimizzato per la prestazioni STANDARD: garantisce un bilanciamento tra le prestazioni e le risorse ECONOMY: ottimizzato per l occupazione delle risorse Il codice binario è compatibile Non servono modifiche al codice se si cambia la versione del processore

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48 Sviluppo di codice embedded (NIOSII IDE) Assembler C/C++ Utilizzo di sistemi operativi Embedded Linux embedded: µclinux Linux Real-Time OS: RTAI Xenomai µc/os-ii

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51 Istruzioni per il trasferimento dei dati Istruzioni Aritmetico-Logiche Istruzioni di Move Istruzioni di Confronto Istruzioni di Shift e rotate Istruzioni per il controllo del Programma Altre istruzioni di controllo Custom instruction Istruzioni No-operation

52 Istruzioni Tipo I Istruzioni Tipo R Istruzioni Tipo J

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60 Progetto open source Versione stabile basata su Linux kernel 2.6 Caratteristiche del kernel Linux disponibili: process control filesystem networking device driver Struttura della memoria dedicata Separazione spazio kernel/applicazione Dimensione minima 1MB di RAM

61 Architecture supportate: Motorola 68k (68X302, 68306, 68X328, 68332, 68360) Motorola ColdFire (5206x, 5249, 5272, 5307, 5407) ARM (Atmel, NetSilicon, Aplio, TI, Samsung,...) Intel i960 (Jx, Kx, Cx, Hx, MC, VH) Sparc (LEON) MIPS (Brecis,...) Xilinx Microblaze (FPGA) Altera NIOS (FPGA) NEC v850 Hitachi H8/300 SuperH SH2 Motorola MCORE Opencores OpenRISC 1000 Analog Devices Blackfin

62 No memoria virtuale No protezione della memoria Tra kernel, processi e hardware! No fork(), solo vfork() Stack gestiti staticamente No sbrk() Frammentazione della memoria

63 PROCESS: full multi-tasking, XIP supportato API: system call standard di Linux IPC: software signals, shared memory! FILESYS: ROMfs, ext2, NFS, SMB, JFFS, proc, ISO9660 NETWORK: TCP/IP, PPP (PAP, CHAP), masquerading, routing, filtering, forwarding DRIVER: seriale, Ethernet, timer, IDE, MTD, audio, LCD, watchdog, PCI bus, PCMCIA MODULI: moduli supportati

64 La mancanza di MMU non crea problemi malloc() utilizza mmap() fork() va valutato caso per caso Limiti nell uso di malloc() Il kernel deve allocare lo spazio adatto Frammentazione della memoria Attenzione alle dimensioni dello stack!!

65 Librerie dinamiche supportate in alcune architetture uclibc è preferito a libc Piccole e poco pesanti Non un implementazione completa di libc Alcune piattaforme supportano glibc Thread supportati Altre librerie supportate: openssl, libpcap, libm, libdes, zlib, ecc..

66 TOOLS: sash, nwsh, sh, busybox, agetty, tinylogin, python, vi (clone) NETWORK: ifconfig, route, ping, ipfwadm, ftp, dhcpcd, telnet, traceroute, tcpdump, ssh SERVERS: init, inetd, pppd, diald, web server, telnetd, tfptd, samba, squid, snmpd, pppd, pptpd, Freeswan (IPsec), zebra FLASH: blkmem, netflash, flashw, MTD untils FILESYS: mount, nfsmount, smbmount, e2fsprogs, JFFS tools AUDIO: mp3 player, wav player.. E molte altre!