Формалізація адаптивного відображення задач у реконфігурованих обчислювальних системах на ПЛІС

Розроблено математичні моделі адаптивної реконфігурації, що визначають значення критеріїв ефективності реконфігурованих обчислень. Запропоновано новий підхід до скорочення критичного часу виконання паралельних алгоритмів за рахунок видалення непродуктивної складової часу реконфігурації з критичного шляху графу алгоритму. Розроблено та досліджено програмну модель запропонованих засобів адаптивного відображення алгоритму на реконфігуровану обчислювальну структуру на ПЛІС.Formal models of adaptive reconfiguration were developed. It allowed determining the value of the performance criteria of reconfigurable computing system. A new approach of reducing the critical execution time of parallel algorithms was proposed by removing reconfiguration time overheads from the critical path of algorithm`s graph. Program model of proposed means for adaptive tasks mapping on reconfigurable FPGA computing structur

Зменшення накладних видатків реконфігурації в реконфігурованих обчислювальних системах

Запропоновано нові засоби реконфігурації, що дозволяють мінімізувати накладні видатки реконфігурації, забезпечуючи підвищення продуктивності динамічно реконфігурованих обчислювальних систем. Запропонований метод повторного використання апаратних ресурсів функціональних блоків, забезпечує інтенсивне прискорення реконфігурації за рахунок видалення всієї непродуктивної складової часу реконфігурації.Предложены новые средства реконфигурации, которые позволяют минимизировать накладные расходы реконфигурации, обеспечивая повышение производительности динамически реконфигурируемых вычислительных систем. Предложенный метод повторного использования аппаратных ресурсов функциональных блоков обеспечивает интенсивнее ускорение реконфигурации за счет удаления всей непродуктивной составляющей времени реконфигурации.The new means of the reconfiguration is proposed that to minimize overheads reconfiguration and to provide improved performance dynamically reconfigurable systems. The proposed reusing hardware resources method of function blocks provides an intensive acceleration reconfiguration by removing all the overhead part-time reconfiguration

Средства адаптивного отображения задач на реконфигурируемую вычислительную структуру в параллельных вычислительных системах, под управлением потоком данных

Запропоновано засоби організації адаптивного відображення завдань на обчислювальну структуру, яка реконфігуруєтся в процесі обчислень. Для підвищення ефективності реконфігуровних обчислювальних систем запропоновано нова концепція відображення завдань на апаратному рівні системи на базі моделі управління потоками даних. Запропоновано та реалізовано ефективний підхід до скорочення часу реконфігуровних обчислень за рахунок завчасної реконфігурації. Розроблена та досліджена програмна модель запропонованих засобів адаптивного відображення алгоритму на реконфігуровну обчислювальну структуру на ПЛІС.The means of adaptive tasks mapping on a computing structure that is reconfigured during the computation was proposed. The new concept of tasks mapping on hardware level that based on a data flow computations for increased effectiveness reconfigurable computer systems was proposed. The effective approach of reducing the execution time of reconfigurable computation by preemptive reconfiguration was proposed and investigated. Program model of proposed means for adaptive tasks mapping on reconfigurable FPGA computing structure.Предложены средства организации адаптивного отображения задач на вычислительную структуру, которая реконфигурируется в процессе вычислений. Для повышения эффективности реконфигурируемых вычислительных систем предложена новая концепция отображения задач на аппаратном уровне системы на базе модели управления потоком данных. Предложен и реализован эффективный подход к сокращению времени реконфигурируемых вычислений за счет упреждающей реконфигурации. Разработана и исследована программная модель предложенных средств адаптивного отображения алгоритма на реконфигурируемую вычислительную структуру на ПЛИС

Розробка методу прискорення реконфігурації в динамічно реконфігурованих обчислювальних системах

The problem of performance improvement of reconfigurable computing systems, including solving the problem of reconfiguration overhead reduction was considered. A new reconfiguration acceleration method and hardware for its implementation, which allow to minimize the reconfiguration time overhead were proposed. Analytical expressions that formalize the reconfiguration acceleration method, justify the virtually complete removal of unproductive reconfiguration time by reducing the communication component of time that provides an intensive reconfiguration acceleration were obtained. The formalization shows that the volume of the removed unproductive time component is linearly dependent on the number of repetitive tasks. Thus, using the proposed method is the most efficient in the algorithms that contain a large number of similar tasks.The proposed hardware for schedule management of placement and support of configurations of functional units, based on the multi-level memory, provide effective support of the reconfiguration overhead reduction method and allow to reduce computational complexity of reconfiguration control algorithms and solve the problem of limited resources of internal memory of the FPGA. The designed emulator of the reconfigurable computing system and software model of the reconfiguration acceleration method enable the real-time control simulation of reconfigurable resources. The developed software is a handy tool to study the temporal characteristics of the reconfigurable computing system.Simulation of the reconfiguration acceleration method for computing algorithms with the multilevel structure, which is experimentally confirmed by theoretical research was performed.Предложен метод ускорения реконфигурации и аппаратные средства его реализации, которые позволяют минимизировать накладные расходы времени реконфигурации. Выполнено моделирование предложенного метода для вычислительных алгоритмов, представленных в ярусно параллельной форме. Применение метода максимально снижает коммуникационную составляющую времени реконфигурации, обеспечивая интенсивное ускорение реконфигурации в приложениях, которые содержат большое количество однотипных задач.Запропонований метод прискорення реконфігурації та апаратні засоби його реалізації, що дозволяють мінімізувати накладні видатки часу реконфігурації. Виконано моделювання запропонованого методу для обчислювальних алгоритмів поданих в ярусно-паралельній формі. Застосування методу максимально зменшує комунікаційну складову часу реконфігурації, забезпечуючи інтенсивне прискорення реконфігурації в додатках, що містять велику кількість однотипних задач

Метод забезпечення часових вимог якості обслуговування в реконфігурованих обчислювальних системах

The process of calculations control in reconfigurable computing systems characterized by the time constraints of both the applications solved and the functional and structural organization of the system is investigated.As part of this, the method is modified and mathematically substantiated for determining the time intervals of tasks. The proposed modification to the analysis of tasks acceleration index allows to evaluate the unproductive time expenditure taking into account the FPGA hardware limitations in the computer algorithms mapping to the reconfigurable computing structure.The method of providing time parameters of service quality in the reconfigurable computing system that provides given application runtime by determining the amount of unproductive time-consuming reconfiguration and the choice of optimal service discipline for each task in terms of time and existing hardware limitations was proposed. The use of the proposed method of determining the time intervals, which the implementation of the method is based on determining the sequence of tasks for which the target architecture of the computer system is effective and the use of additional mechanisms to reduce overhead does not speed up calculations within the advertised time requirements. Application of the proposed method allows to determine and optimize the impact of space limitations the reconfiguration time and reduce the number of rejections of tasks in the dynamic mapping of task flows to the reconfigurable computational structure. The formalization of the method for determining the time intervals of tasks was developed, for which the optimal boundaries of the effective use of the proposed facilities in terms of the adequacy of the offered application time limits to the limits of the reconfigurable computer system were defined and justified.The proposed tools can be used in modern high-performance reconfigurable computing systems during solving the problems of control of various technical and management processes and implementation of multidimensional calculations in complex information systems.Исследуется процесс управления вычислениями в реконфигурируемых вычислительных системах. Предложен метод обеспечения временных требований качества обслуживания, который обеспечивает требуемое время выполнения вычислительных алгоритмов с учетом ограничений реконфигурируемой вычислительной системы. Предложенный метод позволяет повысить эффективность процесса управления вычислительным процессом в реконфигурируемых вычислительных системах за счет выбора оптимального способа обслуживания для каждой задачи путем определения объема непроизводительных временных затратДосліджується процес управління обчисленнями в реконфігуровних обчислювальних системах. Запропонований метод забезпечення часових вимог якості обслуговування, який забезпечує затребуваний час виконання обчислювальних алгоритмів з врахуванням обмежень реконфігуровної обчислювальної системи. Запропонований метод дозволяє підвищити ефективність процесу управління обчислювальним процесом в реконфігуровних обчислювальних системах за рахунок вибору оптимального способу обслуговування для кожної задачі шляхом визначення обсягу непродуктивних часових витра

Формалізація концепції адаптивного відображення алгоритмів в реконфігуровних комп’ютерних системах на ПЛІС

The effectiveness of data processing in the reconfigurable computer systems depends significantly on the unproductive time costs of the reconfiguration of the FPGA computational space. It is an important modern problem that hinders the intensive progress of reconfigurable computations. The aim of the research is to improve the efficiency of the process of tasks mapping into the reconfigurable computing structure of the dynamically RCs by reducing the communication delays when the reconfiguring FPGA space in the Run Time mode.Mathematical models for determining the main efficiency criteria of the dynamically RCs and estimating the execution time of the main stages of adaptive tasks mapping that take into consideration the influence of delays of the configuration data transfer at all organization levels of the system are proposed. The concept of adaptive tasks mapping into the dynamically reconfigurable FPGA space based on the new approach to the transformation of algorithms’ MDG and the multilevel configuration data caching is proposed and formalized. That allows the realization of various strategies of adaptive tasks mapping based on the criteria of overhead time minimization considering FPGA hardware limitations and parameters of the changing computing environment during the tasks mapping. The experiments showed that the use of adaptive tasks mapping allows to reduce the overhead time and increase the effectiveness of reconfigurable computations for executing the algorithms with frequent repetition of similar tasks.Предложены формальные модели основных этапов обработки данных в реконфигурируемых компьютерных системах, учитывающие влияние задержек передачи конфигурационных данных на эффективность вычислений и позволяющие оценить и оптимизировать непроизводительные затраты времени на реконфигурацию вычислительной структуры на ПЛИС. Предложена формализация концепции адаптивного отображения алгоритмов на реконфигурируемую вычислительную среду в режиме времени выполнения, которая основана на многоуровневом кэшировании конфигурационных данныхЗапропоновано формальні моделі основних етапів обробки даних в реконфігуровних комп’ютерних системах, що враховують вплив затримок передавання конфігураційних даних на ефективність обчислень та дозволяють оцінити і оптимізувати непродуктивні витрати часу на реконфігурацію обчислювального середовища на ПЛІС. Запропоновано формалізацію концепції адаптивного відображення алгоритмів на реконфігуровне обчислювальне середовище в режимі часу виконання, що базується на багаторівневому кешуванні конфігураційних дани

Формалізація концепції адаптивного відображення алгоритмів в реконфігуровних комп’ютерних системах на ПЛІС

The effectiveness of data processing in the reconfigurable computer systems depends significantly on the unproductive time costs of the reconfiguration of the FPGA computational space. It is an important modern problem that hinders the intensive progress of reconfigurable computations. The aim of the research is to improve the efficiency of the process of tasks mapping into the reconfigurable computing structure of the dynamically RCs by reducing the communication delays when the reconfiguring FPGA space in the Run Time mode.Mathematical models for determining the main efficiency criteria of the dynamically RCs and estimating the execution time of the main stages of adaptive tasks mapping that take into consideration the influence of delays of the configuration data transfer at all organization levels of the system are proposed. The concept of adaptive tasks mapping into the dynamically reconfigurable FPGA space based on the new approach to the transformation of algorithms’ MDG and the multilevel configuration data caching is proposed and formalized. That allows the realization of various strategies of adaptive tasks mapping based on the criteria of overhead time minimization considering FPGA hardware limitations and parameters of the changing computing environment during the tasks mapping. The experiments showed that the use of adaptive tasks mapping allows to reduce the overhead time and increase the effectiveness of reconfigurable computations for executing the algorithms with frequent repetition of similar tasks.Предложены формальные модели основных этапов обработки данных в реконфигурируемых компьютерных системах, учитывающие влияние задержек передачи конфигурационных данных на эффективность вычислений и позволяющие оценить и оптимизировать непроизводительные затраты времени на реконфигурацию вычислительной структуры на ПЛИС. Предложена формализация концепции адаптивного отображения алгоритмов на реконфигурируемую вычислительную среду в режиме времени выполнения, которая основана на многоуровневом кэшировании конфигурационных данныхЗапропоновано формальні моделі основних етапів обробки даних в реконфігуровних комп’ютерних системах, що враховують вплив затримок передавання конфігураційних даних на ефективність обчислень та дозволяють оцінити і оптимізувати непродуктивні витрати часу на реконфігурацію обчислювального середовища на ПЛІС. Запропоновано формалізацію концепції адаптивного відображення алгоритмів на реконфігуровне обчислювальне середовище в режимі часу виконання, що базується на багаторівневому кешуванні конфігураційних дани

A Distributed Processing Platform With Reconfigurable Autonomous Nodes

Distributed processing is a fast growing area of interest due to the exploding popularity of Internet of Things (IoT) and Unmanned Aerial Vehicles (UAV) technologies. IoT is a distributed processing structure by nature, while UAVs evolve from single-UAV applications towards multiple-UAV (teams). The demand for processing capabilities is expanding as well. The general purpose processors (e.g. CPUs) can be used for any type of application, however this flexibility is at the cost of operational efficiency. Application Specific Integrated Circuits (ASICs) are designed for certain types of application and have great operational efficiency, but they rarely can be used for other applications. The reconfigurable chips – Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) provide high operational efficiency along with the application flexibility – as they can be reprogrammed with the functionality that is required at the given time. All the above listed aspects are combined in the distributed processing system that is expected to consume low amount of electrical energy. This dissertation proposes a comprehensive solution for the problem of distributed processing equipped with reconfigurable units. The complete and detailed architecture is provided for each element. The design includes operational algorithms that together with the architecture constitute a complete solution for the stated problem. The design of the units is flexible and allows any number and combination of CPUs, ASICs or FPGAs. Units in the proposed design are autonomous – the decisions are taken by individual units, instead of the central node, which is marginalized. The decentralized and autonomous approach provides more flexible and reliable design that is especially important for IoT and teamed UAV applications. The efficiency of the proposed solutions is defined as electrical energy consumption and operation timespan, and is measured using dedicated experimentation system through numerous simulations

Методи та засоби підвищення ефективності обробки інформації в реконфігуровних комп’ютерних системах на базі ПЛІС

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, що полягає в розвитку теорії організації обробки інформації в комп’ютерних системах на ПЛІС з урахуванням їх функціональних та апаратурних обмежень. Запропоновані методи та засоби включають в себе взаємозв’язані вирішення завдань оптимізації процесу обробки інформації шляхом визначення оптимальної зернистості обчислень, а також зменшення накладних витрат процесу відображення задач на реконфігуровне обчислювальне середовище, що в цілому забезпечує підвищення ефективності обробки інформації в реконфігуровних обчислювальних системах на ПЛІС. Запропоновано нову стратегію взаємної адаптації розв’язуваних задач і обчислювального середовища на ПЛІС, що ґрунтується на варіюванні зернистістю обчислень під час розв’язання задач великої розмірності, та вдосконалено концепцію реалізації локальних розподілених засобів керування відображенням задач на реконфігуровне обчислювальне середовище, що підвищує ефективність врахування фізичних параметрів кристалів ПЛІС на всіх рівнях реалізації реконфігуровних комп’ютерних систем