IRQ Coloring and the Subtle Art of Mitigating Interrupt-generated Interference

Integrating workloads with differing criticality levels presents a formidable challenge in achieving the stringent spatial and temporal isolation requirements imposed by safety-critical standards such as ISO26262. The shift towards high-performance multicore platforms has been posing increasing issues to the so-called mixed-criticality systems (MCS) due to the reciprocal interference created by consolidated subsystems vying for access to shared (microarchitectural) resources (e.g., caches, bus interconnect, memory controller). The research community has acknowledged all these challenges. Thus, several techniques, such as cache partitioning and memory throttling, have been proposed to mitigate such interference; however, these techniques have some drawbacks and limitations that impact performance, memory footprint, and availability. In this work, we look from a different perspective. Departing from the observation that safety-critical workloads are typically event- and thus interrupt-driven, we mask "colored" interrupts based on the \ac{QoS} assessment, providing fine-grain control to mitigate interference on critical workloads without entirely suspending non-critical workloads. We propose the so-called IRQ coloring technique. We implement and evaluate the IRQ Coloring on a reference high-performance multicore platform, i.e., Xilinx ZCU102. Results demonstrate negligible performance overhead, i.e., <1% for a 100 microseconds period, and reasonable throughput guarantees for medium-critical workloads. We argue that the IRQ coloring technique presents predictability and intermediate guarantees advantages compared to state-of-art mechanismsComment: 10 pages, 9 figures, 2 table

Reconfigurable network systems and software-defined networking

Modern high-speed networks have evolved from relatively static networks to highly adaptive networks facilitating dynamic reconfiguration. This evolution has influenced all levels of network design and management, introducing increased programmability and configuration flexibility. This influence has extended from the lowest level of physical hardware interfaces to the highest level of network management by software. A key representative of this evolution is the emergence of softwaredefined networking (SDN). In this paper, we review the current state of the art in reconfigurable network systems, covering hardware reconfiguration, SDN, and the interplay between them. We take a top-down approach, starting with a tutorial on software-defined networks. We then continue to discuss programming languages as the linking element between different levels of software and hardware in the network. We review electronic switching systems, highlighting programmability and reconfiguration aspects, and describe the trends in reconfigurable network elements. Finally, we describe the state of the art in the integration of photonic transceiver and switching elements with electronic technologies, and consider the implications for SDN and reconfigurable network systems.This work was jointly supported by the UKs Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) Internet Project EP/H040536/1, an EPSRC Research Fellowship grant to Philip Watts (EP/I004157/2), and DARPA and AFRL under contract FA8750-11-C-0249.This is the final version of the article. It first appeared from IEEE via http://dx.doi.org/10.1109/JPROC.2015.243573

Emerging research directions in computer science : contributions from the young informatics faculty in Karlsruhe

In order to build better human-friendly human-computer interfaces, such interfaces need to be enabled with capabilities to perceive the user, his location, identity, activities and in particular his interaction with others and the machine. Only with these perception capabilities can smart systems ( for example human-friendly robots or smart environments) become posssible. In my research I\u27m thus focusing on the development of novel techniques for the visual perception of humans and their activities, in order to facilitate perceptive multimodal interfaces, humanoid robots and smart environments. My work includes research on person tracking, person identication, recognition of pointing gestures, estimation of head orientation and focus of attention, as well as audio-visual scene and activity analysis. Application areas are humanfriendly humanoid robots, smart environments, content-based image and video analysis, as well as safety- and security-related applications. This article gives a brief overview of my ongoing research activities in these areas

Doctor of Philosophy

dissertationAs the base of the software stack, system-level software is expected to provide ecient and scalable storage, communication, security and resource management functionalities. However, there are many computationally expensive functionalities at the system level, such as encryption, packet inspection, and error correction. All of these require substantial computing power. What's more, today's application workloads have entered gigabyte and terabyte scales, which demand even more computing power. To solve the rapidly increased computing power demand at the system level, this dissertation proposes using parallel graphics pro- cessing units (GPUs) in system software. GPUs excel at parallel computing, and also have a much faster development trend in parallel performance than central processing units (CPUs). However, system-level software has been originally designed to be latency-oriented. GPUs are designed for long-running computation and large-scale data processing, which are throughput-oriented. Such mismatch makes it dicult to t the system-level software with the GPUs. This dissertation presents generic principles of system-level GPU computing developed during the process of creating our two general frameworks for integrating GPU computing in storage and network packet processing. The principles are generic design techniques and abstractions to deal with common system-level GPU computing challenges. Those principles have been evaluated in concrete cases including storage and network packet processing applications that have been augmented with GPU computing. The signicant performance improvement found in the evaluation shows the eectiveness and eciency of the proposed techniques and abstractions. This dissertation also presents a literature survey of the relatively young system-level GPU computing area, to introduce the state of the art in both applications and techniques, and also their future potentials

Polymorphic computing abstraction for heterogeneous architectures

Integration of multiple computing paradigms onto system on chip (SoC) has pushed the boundaries of design space exploration for hardware architectures and computing system software stack. The heterogeneity of computing styles in SoC has created a new class of architectures referred to as Heterogeneous Architectures. Novel applications developed to exploit the different computing styles are user centric for embedded SoC. Software and hardware designers are faced with several challenges to harness the full potential of heterogeneous architectures. Applications have to execute on more than one compute style to increase overall SoC resource utilization. The implication of such an abstraction is that application threads need to be polymorphic. Operating system layer is thus faced with the problem of scheduling polymorphic threads. Resource allocation is also an important problem to be dealt by the OS. Morphism evolution of application threads is constrained by the availability of heterogeneous computing resources. Traditional design optimization goals such as computational power and lower energy per computation are inadequate to satisfy user centric application resource needs. Resource allocation decisions at application layer need to permeate to the architectural layer to avoid conflicting demands which may affect energy-delay characteristics of application threads. We propose Polymorphic computing abstraction as a unified computing model for heterogeneous architectures to address the above issues. Simulation environment for polymorphic applications is developed and evaluated under various scheduling strategies to determine the effectiveness of polymorphism abstraction on resource allocation. User satisfaction model is also developed to complement polymorphism and used for optimization of resource utilization at application and network layer of embedded systems

Analysis and simulation of emergent architectures for internet of things

The Internet of Things (IoT) promises a plethora of new services and applications supported by a wide range of devices that includes sensors and actuators. To reach its potential IoT must break down the silos that limit applications' interoperability and hinder their manageability. These silos' result from existing deployment techniques where each vendor set up its own infrastructure, duplicating the hardware and increasing the costs. Fog Computing can serve as the underlying platform to support IoT applications thus avoiding the silos'. Each application becomes a system formed by IoT devices (i.e. sensors, actuators), an edge infrastructure (i.e. Fog Computing) and the Cloud. In order to improve several aspects of human lives, different systems can interact to correlate data obtaining functionalities not achievable by any of the systems in isolation. Then, we can analyze the IoT as a whole system rather than a conjunction of isolated systems. Doing so leads to the building of Ultra-Large Scale Systems (ULSS), an extension of the concept of Systems of Systems (SoS), in several verticals including Autonomous Vehicles, Smart Cities, and Smart Grids. The scope of ULSS is large in the number of things and complex in the variety of applications, volume of data, and diversity of communication patterns. To handle this scale and complexity in this thesis we propose Hierarchical Emergent Behaviors (HEB), a paradigm that builds on the concepts of emergent behavior and hierarchical organization. Rather than explicitly program all possible situations in the vast space of ULSS scenarios, HEB relies on emergent behaviors induced by local rules that define the interactions of the "things" between themselves and also with their environment. We discuss the modifications to classical IoT architectures required by HEB, as well as the new challenges. Once these challenges such as scalability and manageability are addressed, we can illustrate HEB's usefulness dealing with an IoT-based ULSS through a case study based on Autonomous Vehicles (AVs). To this end we design and analyze well-though simulations that demonstrate its tremendous potential since small modifications to the basic set of rules induce different and interesting behaviors. Then we design a set of primitives to perform basic maneuver such as exiting a platoon formation and maneuvering in anticipation of obstacles beyond the range of on-board sensors. These simulations also evaluate the impact of a HEB deployment assisted by Fog nodes to enlarge the informational scope of vehicles. To conclude we develop a design methodology to build, evaluate, and run HEB-based solutions for AVs. We provide architectural foundations for the second level and its implications in major areas such as communications. These foundations are then validated through simulations that incorporate new rules, obtaining valuable experimental observations. The proposed architecture has a tremendous potential to solve the scalability issue found in ULSS, enabling IoT deployments to reach its true potential.El Internet de las Cosas (IoT) promete una plétora de nuevos servicios y aplicaciones habilitadas por una amplia gama de dispositivos que incluye sensores y actuadores. Para alcanzar su potencial, IoT debe superar los silos que limitan la interoperabilidad de las aplicaciones y dificultan su administración. Estos silos son el resultado de las técnicas de implementación existentes en las que cada proveedor instala su propia infraestructura y duplica el hardware, incrementando los costes. Fog Computing puede servir como la plataforma subyacente que soporte aplicaciones del IoT evitando así los silos. Cada aplicación se convierte en un sistema formado por dispositivos IoT (por ejemplo sensores y actuadores), una infraestructura (como Fog Computing) y la nube. Con el fin de mejorar varios aspectos de la vida humana, diferentes sistemas pueden interactuar para correlacionar datos obteniendo funcionalidades que no pueden lograrse por ninguno de los sistemas de forma aislada. Entonces, podemos analizar el IoT como un único sistema en lugar de una conjunción de sistemas aislados. Esta perspectiva conduce a la construcción de Ultra-Large Scale Systems (ULSS), una extensión del concepto de Systems of Systems (SoS), en varios verticales, incluidos los vehículos autónomos, Smart Cities y Smart Grids. El alcance de ULSS es vasto debido a la cantidad de dispositivos y complejo en la variedad de aplicaciones, volumen de datos y diversidad de patrones de comunicación. Para manejar esta escala y complejidad, en esta tesis proponemos Hierarchical Emergent Behaviors (HEB), un paradigma que se basa en los conceptos de comportamientos emergente y organización jerárquica. En lugar de programar explícitamente todas las situaciones posibles en el vasto espacio de escenarios presentes en los ULSS, HEB se basa en comportamientos emergentes inducidos por reglas locales que definen las interacciones de las "cosas" entre ellas y también con su entorno. Discutimos las modificaciones a las arquitecturas clásicas de IoT requeridas por HEB, así como los nuevos desafíos. Una vez que se abordan estos desafíos, como la escalabilidad y la capacidad de administración, podemos ilustrar la utilidad de HEB cuando se ocupa de un ULSS basado en IoT a través de un caso de estudio basado en Vehículos Autónomos (AV). Con este fin, diseñamos y analizamos simulaciones que demuestran su enorme potencial, ya que pequeñas modificaciones en el conjunto básico de reglas inducen comportamientos diferentes e interesantes. Luego, diseñamos un conjunto de primitivas para realizar una maniobra básica, como salir de un pelotón y maniobrar en anticipación de obstáculos más allá del alcance de los sensores de a bordo. Estas simulaciones también evalúan el impacto de una implementación de HEB asistida por nodos de Fog Computing para ampliar el alcance sensorial de los vehículos. Para concluir, desarrollamos una metodología de diseño para construir, evaluar y ejecutar soluciones basadas en HEB para AV. Brindamos fundamentos arquitectónicos para el segundo nivel de HEB y sus implicaciones en áreas importantes como las comunicaciones. Estas bases se validan a través de simulaciones que incorporan nuevas reglas, obteniendo valiosas observaciones experimentales. La arquitectura propuesta tiene un enorme potencial para resolver el problema de escalabilidad que presentan los ULSS, permitiendo que las implementaciones de IoT alcancen su verdadero potencial.Postprint (published version

Analysis and simulation of emergent architectures for internet of things

The Internet of Things (IoT) promises a plethora of new services and applications supported by a wide range of devices that includes sensors and actuators. To reach its potential IoT must break down the silos that limit applications' interoperability and hinder their manageability. These silos' result from existing deployment techniques where each vendor set up its own infrastructure, duplicating the hardware and increasing the costs. Fog Computing can serve as the underlying platform to support IoT applications thus avoiding the silos'. Each application becomes a system formed by IoT devices (i.e. sensors, actuators), an edge infrastructure (i.e. Fog Computing) and the Cloud. In order to improve several aspects of human lives, different systems can interact to correlate data obtaining functionalities not achievable by any of the systems in isolation. Then, we can analyze the IoT as a whole system rather than a conjunction of isolated systems. Doing so leads to the building of Ultra-Large Scale Systems (ULSS), an extension of the concept of Systems of Systems (SoS), in several verticals including Autonomous Vehicles, Smart Cities, and Smart Grids. The scope of ULSS is large in the number of things and complex in the variety of applications, volume of data, and diversity of communication patterns. To handle this scale and complexity in this thesis we propose Hierarchical Emergent Behaviors (HEB), a paradigm that builds on the concepts of emergent behavior and hierarchical organization. Rather than explicitly program all possible situations in the vast space of ULSS scenarios, HEB relies on emergent behaviors induced by local rules that define the interactions of the "things" between themselves and also with their environment. We discuss the modifications to classical IoT architectures required by HEB, as well as the new challenges. Once these challenges such as scalability and manageability are addressed, we can illustrate HEB's usefulness dealing with an IoT-based ULSS through a case study based on Autonomous Vehicles (AVs). To this end we design and analyze well-though simulations that demonstrate its tremendous potential since small modifications to the basic set of rules induce different and interesting behaviors. Then we design a set of primitives to perform basic maneuver such as exiting a platoon formation and maneuvering in anticipation of obstacles beyond the range of on-board sensors. These simulations also evaluate the impact of a HEB deployment assisted by Fog nodes to enlarge the informational scope of vehicles. To conclude we develop a design methodology to build, evaluate, and run HEB-based solutions for AVs. We provide architectural foundations for the second level and its implications in major areas such as communications. These foundations are then validated through simulations that incorporate new rules, obtaining valuable experimental observations. The proposed architecture has a tremendous potential to solve the scalability issue found in ULSS, enabling IoT deployments to reach its true potential.El Internet de las Cosas (IoT) promete una plétora de nuevos servicios y aplicaciones habilitadas por una amplia gama de dispositivos que incluye sensores y actuadores. Para alcanzar su potencial, IoT debe superar los silos que limitan la interoperabilidad de las aplicaciones y dificultan su administración. Estos silos son el resultado de las técnicas de implementación existentes en las que cada proveedor instala su propia infraestructura y duplica el hardware, incrementando los costes. Fog Computing puede servir como la plataforma subyacente que soporte aplicaciones del IoT evitando así los silos. Cada aplicación se convierte en un sistema formado por dispositivos IoT (por ejemplo sensores y actuadores), una infraestructura (como Fog Computing) y la nube. Con el fin de mejorar varios aspectos de la vida humana, diferentes sistemas pueden interactuar para correlacionar datos obteniendo funcionalidades que no pueden lograrse por ninguno de los sistemas de forma aislada. Entonces, podemos analizar el IoT como un único sistema en lugar de una conjunción de sistemas aislados. Esta perspectiva conduce a la construcción de Ultra-Large Scale Systems (ULSS), una extensión del concepto de Systems of Systems (SoS), en varios verticales, incluidos los vehículos autónomos, Smart Cities y Smart Grids. El alcance de ULSS es vasto debido a la cantidad de dispositivos y complejo en la variedad de aplicaciones, volumen de datos y diversidad de patrones de comunicación. Para manejar esta escala y complejidad, en esta tesis proponemos Hierarchical Emergent Behaviors (HEB), un paradigma que se basa en los conceptos de comportamientos emergente y organización jerárquica. En lugar de programar explícitamente todas las situaciones posibles en el vasto espacio de escenarios presentes en los ULSS, HEB se basa en comportamientos emergentes inducidos por reglas locales que definen las interacciones de las "cosas" entre ellas y también con su entorno. Discutimos las modificaciones a las arquitecturas clásicas de IoT requeridas por HEB, así como los nuevos desafíos. Una vez que se abordan estos desafíos, como la escalabilidad y la capacidad de administración, podemos ilustrar la utilidad de HEB cuando se ocupa de un ULSS basado en IoT a través de un caso de estudio basado en Vehículos Autónomos (AV). Con este fin, diseñamos y analizamos simulaciones que demuestran su enorme potencial, ya que pequeñas modificaciones en el conjunto básico de reglas inducen comportamientos diferentes e interesantes. Luego, diseñamos un conjunto de primitivas para realizar una maniobra básica, como salir de un pelotón y maniobrar en anticipación de obstáculos más allá del alcance de los sensores de a bordo. Estas simulaciones también evalúan el impacto de una implementación de HEB asistida por nodos de Fog Computing para ampliar el alcance sensorial de los vehículos. Para concluir, desarrollamos una metodología de diseño para construir, evaluar y ejecutar soluciones basadas en HEB para AV. Brindamos fundamentos arquitectónicos para el segundo nivel de HEB y sus implicaciones en áreas importantes como las comunicaciones. Estas bases se validan a través de simulaciones que incorporan nuevas reglas, obteniendo valiosas observaciones experimentales. La arquitectura propuesta tiene un enorme potencial para resolver el problema de escalabilidad que presentan los ULSS, permitiendo que las implementaciones de IoT alcancen su verdadero potencial

Analysis and simulation of emergent architectures for internet of things

The Internet of Things (IoT) promises a plethora of new services and applications supported by a wide range of devices that includes sensors and actuators. To reach its potential IoT must break down the silos that limit applications' interoperability and hinder their manageability. These silos' result from existing deployment techniques where each vendor set up its own infrastructure, duplicating the hardware and increasing the costs. Fog Computing can serve as the underlying platform to support IoT applications thus avoiding the silos'. Each application becomes a system formed by IoT devices (i.e. sensors, actuators), an edge infrastructure (i.e. Fog Computing) and the Cloud. In order to improve several aspects of human lives, different systems can interact to correlate data obtaining functionalities not achievable by any of the systems in isolation. Then, we can analyze the IoT as a whole system rather than a conjunction of isolated systems. Doing so leads to the building of Ultra-Large Scale Systems (ULSS), an extension of the concept of Systems of Systems (SoS), in several verticals including Autonomous Vehicles, Smart Cities, and Smart Grids. The scope of ULSS is large in the number of things and complex in the variety of applications, volume of data, and diversity of communication patterns. To handle this scale and complexity in this thesis we propose Hierarchical Emergent Behaviors (HEB), a paradigm that builds on the concepts of emergent behavior and hierarchical organization. Rather than explicitly program all possible situations in the vast space of ULSS scenarios, HEB relies on emergent behaviors induced by local rules that define the interactions of the "things" between themselves and also with their environment. We discuss the modifications to classical IoT architectures required by HEB, as well as the new challenges. Once these challenges such as scalability and manageability are addressed, we can illustrate HEB's usefulness dealing with an IoT-based ULSS through a case study based on Autonomous Vehicles (AVs). To this end we design and analyze well-though simulations that demonstrate its tremendous potential since small modifications to the basic set of rules induce different and interesting behaviors. Then we design a set of primitives to perform basic maneuver such as exiting a platoon formation and maneuvering in anticipation of obstacles beyond the range of on-board sensors. These simulations also evaluate the impact of a HEB deployment assisted by Fog nodes to enlarge the informational scope of vehicles. To conclude we develop a design methodology to build, evaluate, and run HEB-based solutions for AVs. We provide architectural foundations for the second level and its implications in major areas such as communications. These foundations are then validated through simulations that incorporate new rules, obtaining valuable experimental observations. The proposed architecture has a tremendous potential to solve the scalability issue found in ULSS, enabling IoT deployments to reach its true potential.El Internet de las Cosas (IoT) promete una plétora de nuevos servicios y aplicaciones habilitadas por una amplia gama de dispositivos que incluye sensores y actuadores. Para alcanzar su potencial, IoT debe superar los silos que limitan la interoperabilidad de las aplicaciones y dificultan su administración. Estos silos son el resultado de las técnicas de implementación existentes en las que cada proveedor instala su propia infraestructura y duplica el hardware, incrementando los costes. Fog Computing puede servir como la plataforma subyacente que soporte aplicaciones del IoT evitando así los silos. Cada aplicación se convierte en un sistema formado por dispositivos IoT (por ejemplo sensores y actuadores), una infraestructura (como Fog Computing) y la nube. Con el fin de mejorar varios aspectos de la vida humana, diferentes sistemas pueden interactuar para correlacionar datos obteniendo funcionalidades que no pueden lograrse por ninguno de los sistemas de forma aislada. Entonces, podemos analizar el IoT como un único sistema en lugar de una conjunción de sistemas aislados. Esta perspectiva conduce a la construcción de Ultra-Large Scale Systems (ULSS), una extensión del concepto de Systems of Systems (SoS), en varios verticales, incluidos los vehículos autónomos, Smart Cities y Smart Grids. El alcance de ULSS es vasto debido a la cantidad de dispositivos y complejo en la variedad de aplicaciones, volumen de datos y diversidad de patrones de comunicación. Para manejar esta escala y complejidad, en esta tesis proponemos Hierarchical Emergent Behaviors (HEB), un paradigma que se basa en los conceptos de comportamientos emergente y organización jerárquica. En lugar de programar explícitamente todas las situaciones posibles en el vasto espacio de escenarios presentes en los ULSS, HEB se basa en comportamientos emergentes inducidos por reglas locales que definen las interacciones de las "cosas" entre ellas y también con su entorno. Discutimos las modificaciones a las arquitecturas clásicas de IoT requeridas por HEB, así como los nuevos desafíos. Una vez que se abordan estos desafíos, como la escalabilidad y la capacidad de administración, podemos ilustrar la utilidad de HEB cuando se ocupa de un ULSS basado en IoT a través de un caso de estudio basado en Vehículos Autónomos (AV). Con este fin, diseñamos y analizamos simulaciones que demuestran su enorme potencial, ya que pequeñas modificaciones en el conjunto básico de reglas inducen comportamientos diferentes e interesantes. Luego, diseñamos un conjunto de primitivas para realizar una maniobra básica, como salir de un pelotón y maniobrar en anticipación de obstáculos más allá del alcance de los sensores de a bordo. Estas simulaciones también evalúan el impacto de una implementación de HEB asistida por nodos de Fog Computing para ampliar el alcance sensorial de los vehículos. Para concluir, desarrollamos una metodología de diseño para construir, evaluar y ejecutar soluciones basadas en HEB para AV. Brindamos fundamentos arquitectónicos para el segundo nivel de HEB y sus implicaciones en áreas importantes como las comunicaciones. Estas bases se validan a través de simulaciones que incorporan nuevas reglas, obteniendo valiosas observaciones experimentales. La arquitectura propuesta tiene un enorme potencial para resolver el problema de escalabilidad que presentan los ULSS, permitiendo que las implementaciones de IoT alcancen su verdadero potencial.Postprint (published version

The Customizable Virtual FPGA: Generation, System Integration and Configuration of Application-Specific Heterogeneous FPGA Architectures

In den vergangenen drei Jahrzehnten wurde die Entwicklung von Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) stark von Moore’s Gesetz, Prozesstechnologie (Skalierung) und kommerziellen Märkten beeinflusst. State-of-the-Art FPGAs bewegen sich einerseits dem Allzweck näher, aber andererseits, da FPGAs immer mehr traditionelle Domänen der Anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) ersetzt haben, steigen die Effizienzerwartungen. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung können Effizienzsteigerungen nicht mehr auf Technologie-Skalierung allein zurückgreifen. Diese Facetten und Trends in Richtung rekonfigurierbarer System-on-Chips (SoCs) und neuen Low-Power-Anwendungen wie Cyber Physical Systems und Internet of Things erfordern eine bessere Anpassung der Ziel-FPGAs. Neben den Trends für den Mainstream-Einsatz von FPGAs in Produkten des täglichen Bedarfs und Services wird es vor allem bei den jüngsten Entwicklungen, FPGAs in Rechenzentren und Cloud-Services einzusetzen, notwendig sein, eine sofortige Portabilität von Applikationen über aktuelle und zukünftige FPGA-Geräte hinweg zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang kann die Hardware-Virtualisierung ein nahtloses Mittel für Plattformunabhängigkeit und Portabilität sein. Ehrlich gesagt stehen die Zwecke der Anpassung und der Virtualisierung eigentlich in einem Konfliktfeld, da die Anpassung für die Effizienzsteigerung vorgesehen ist, während jedoch die Virtualisierung zusätzlichen Flächenaufwand hinzufügt. Die Virtualisierung profitiert aber nicht nur von der Anpassung, sondern fügt auch mehr Flexibilität hinzu, da die Architektur jederzeit verändert werden kann. Diese Besonderheit kann für adaptive Systeme ausgenutzt werden. Sowohl die Anpassung als auch die Virtualisierung von FPGA-Architekturen wurden in der Industrie bisher kaum adressiert. Trotz einiger existierenden akademischen Werke können diese Techniken noch als unerforscht betrachtet werden und sind aufstrebende Forschungsgebiete. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Generierung von FPGA-Architekturen, die auf eine effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten sind. Im Gegensatz zum üblichen Ansatz mit kommerziellen FPGAs, bei denen die FPGA-Architektur als gegeben betrachtet wird und die Applikation auf die vorhandenen Ressourcen abgebildet wird, folgt diese Arbeit einem neuen Paradigma, in dem die Applikation oder Applikationsklasse fest steht und die Zielarchitektur auf die effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten ist. Dies resultiert in angepassten anwendungsspezifischen FPGAs. Die drei Säulen dieser Arbeit sind die Aspekte der Virtualisierung, der Anpassung und des Frameworks. Das zentrale Element ist eine weitgehend parametrierbare virtuelle FPGA-Architektur, die V-FPGA genannt wird, wobei sie als primäres Ziel auf jeden kommerziellen FPGA abgebildet werden kann, während Anwendungen auf der virtuellen Schicht ausgeführt werden. Dies sorgt für Portabilität und Migration auch auf Bitstream-Ebene, da die Spezifikation der virtuellen Schicht bestehen bleibt, während die physische Plattform ausgetauscht werden kann. Darüber hinaus wird diese Technik genutzt, um eine dynamische und partielle Rekonfiguration auf Plattformen zu ermöglichen, die sie nicht nativ unterstützen. Neben der Virtualisierung soll die V-FPGA-Architektur auch als eingebettetes FPGA in ein ASIC integriert werden, das effiziente und dennoch flexible System-on-Chip-Lösungen bietet. Daher werden Zieltechnologie-Abbildungs-Methoden sowohl für Virtualisierung als auch für die physikalische Umsetzung adressiert und ein Beispiel für die physikalische Umsetzung in einem 45 nm Standardzellen Ansatz aufgezeigt. Die hochflexible V-FPGA-Architektur kann mit mehr als 20 Parametern angepasst werden, darunter LUT-Grösse, Clustering, 3D-Stacking, Routing-Struktur und vieles mehr. Die Auswirkungen der Parameter auf Fläche und Leistung der Architektur werden untersucht und eine umfangreiche Analyse von über 1400 Benchmarkläufen zeigt eine hohe Parameterempfindlichkeit bei Abweichungen bis zu ±95, 9% in der Fläche und ±78, 1% in der Leistung, was die hohe Bedeutung von Anpassung für Effizienz aufzeigt. Um die Parameter systematisch an die Bedürfnisse der Applikation anzupassen, wird eine parametrische Entwurfsraum-Explorationsmethode auf der Basis geeigneter Flächen- und Zeitmodellen vorgeschlagen. Eine Herausforderung von angepassten Architekturen ist der Entwurfsaufwand und die Notwendigkeit für angepasste Werkzeuge. Daher umfasst diese Arbeit ein Framework für die Architekturgenerierung, die Entwurfsraumexploration, die Anwendungsabbildung und die Evaluation. Vor allem ist der V-FPGA in einem vollständig synthetisierbaren generischen Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) Code konzipiert, der sehr flexibel ist und die Notwendigkeit für externe Codegeneratoren eliminiert. Systementwickler können von verschiedenen Arten von generischen SoC-Architekturvorlagen profitieren, um die Entwicklungszeit zu reduzieren. Alle notwendigen Konstruktionsschritte für die Applikationsentwicklung und -abbildung auf den V-FPGA werden durch einen Tool-Flow für Entwurfsautomatisierung unterstützt, der eine Sammlung von vorhandenen kommerziellen und akademischen Werkzeugen ausnutzt, die durch geeignete Modelle angepasst und durch ein neues Werkzeug namens V-FPGA-Explorer ergänzt werden. Dieses neue Tool fungiert nicht nur als Back-End-Tool für die Anwendungsabbildung auf dem V-FPGA sondern ist auch ein grafischer Konfigurations- und Layout-Editor, ein Bitstream-Generator, ein Architekturdatei-Generator für die Place & Route Tools, ein Script-Generator und ein Testbenchgenerator. Eine Besonderheit ist die Unterstützung der Just-in-Time-Kompilierung mit schnellen Algorithmen für die In-System Anwendungsabbildung. Die Arbeit schliesst mit einigen Anwendungsfällen aus den Bereichen industrielle Prozessautomatisierung, medizinische Bildgebung, adaptive Systeme und Lehre ab, in denen der V-FPGA eingesetzt wird