Realisierungsmethodik von applikationsspezifischen Softcore FPGA-Lösungen: in Abhänigkeit von algorithmischen Anforderungen im Einsatzgebiet eingebetteter Systeme

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit Prinzipien, Methodiken, Techniken und Realisierungen zur systematischen Entwicklung von komplexen eingebetteten Systemen unter Verwendung von Softcore Prozessoren. Die adressierte Aufgabendomäne ist vor allem die echtzeitkritische Daten- und Bildverarbeitung. Notwendig sind neue Lösungen aufgrund immer leistungsfähigerer eingebetteter Systeme, mit deren Hilfe Aufgabenfelder bedient werden können, die bisher mit diesen Systemen nicht umsetzbar waren. Aufbauend auf den Darstellungen bereits existierender Modelle und Verfahren, wie z. B. dem V-Modell oder dem Hardware-Software Co-Design, wird eine spezielle Realisierungsmethodik für applikationsspezifische Softcore FPGA-Lösungen in Abhängigkeit von algorithmischen Anforderungen in der Aufgabendomäne erarbeitet. In diesem Zusammenhang wird eine Softcore-Bibliothek mit an diese Domäne angepassten Eigenschaften konzipiert und umgesetzt. Das dabei verwendete modellbasierte Vorgehen ermöglicht durch eine hierarchische Beschreibung und Validierung eine zeit- und kosteneffiziente Entwicklung komplexer Systeme. Für jede Abstraktionsebene werden Modelle vorgestellt, die jeweils auf dieser alle notwendigen Anforderungen zur frühzeitigen Fehlererkennung und Fehlervermeidung sowie eine automatisierte Codegenerierung und Optimierungen sinnvoll umsetzen. Durch gezielte Festlegung einzuhaltender Kriterien und Entwicklungsschritte wird dabei in jeder Komponente der Toolchain eine bestmögliche Kombination von zeit- und kosteneffizienter Entwicklung mit der Sicherstellung der Einhaltung harter Echtzeiteigenschaften sowie einer Maximierung der Wiederverwendbarkeit, erreicht. Dabei spielt die Anpassbarkeit der eingebetteten Systeme mit Hilfe von partieller Rekonfiguration, mit der das dynamische Austauschen von Teilen des Softcores oder sogar ganzer Softcore Prozessoren zur Laufzeit ermöglicht wird, eine wichtige Rolle. Es erfolgen ein praktischer Nachweis der Funktionalität der erarbeiteten Modelle sowie ausführliche Experimente über die zeitlichen Anforderungen bei der partiellen Rekonfiguration von Softcore Prozessoren. Die praktischen Ergebnisse der Arbeit zeigen deutlich die Effizienz der Entwicklung von Lösungen mit der konzipierten und umgesetzten Toolchain sowie die Relevanz und Einsetzbarkeit der partiellen Rekonfiguration in diesem Gebiet.This dissertation focuses on principles, methods, techniques and realizations for the systematic development of complex embedded systems using softcore processors. The addressed domain is primarily real-time-critical data and image processing. New solutions are needed due to the increasing performance of embedded systems, allowing for a range of applications that were previously not solvable with these systems. Building on the concepts of already existing models and methods, e.g. the V-model or hardware-software-co-design, a special realization methodology for application-specific softcore FPGA solutions is developed, in conjunction with algorithmic requirements in the addressed domain. In this context, a softcore library with characteristics tailored to this domain is designed and implemented. Through a hierarchical description and validation, the model-based approach used in this thesis enables the time- and cost-efficient development of complex systems. For each abstraction level, models are presented that provide all necessary requisites for early error detection and prevention, as well as mostly automated code generation and code optimization. By defining relevant criteria and development steps, a parsimonious development with respect to time and cost is achieved in each component of the toolchain. This ensures strict adherence to the hard real-time properties and maximizes the reusability of the modules implemented for a specific project. The adaptability of the embedded systems through using partial reconfiguration plays an important role. Partial reconfiguration enables dynamic replacement of parts of the softcore or even entire softcore processors at runtime. A practical evaluation of the functionality of the developed models as well an extensive array of experiments concerning the time requirements for the partial reconfiguration of softcore processors are presented. The practical results of this thesis clearly demonstrate the efficiency of developing solutions with the designed and realized toolchain, as well as the relevance and applicability of partial reconfiguration in the addressed domain

Integrated system development process for high-precision motion control systems

A cost-efficient way to achieve high-accuracy motion control is the utilization of complex control algorithms. Hence advanced motion control constitutes a class of real-time applications, for which the technical feasibility strongly depends on the achievable execution performance on the embedded processing platform. The presented modular controller structure defines a set of advanced control algorithms able minimize the tracking error, even for friction affected kinematics. Transferring the controller design to an implementation-oriented modelling level focuses on minimizing the processing latency in order to realize the required high sample rate. The utilization or even the custom development of a parallel platform becomes inevitable, which is why it is necessary to integrate both, control and embedded platform development processes. The presented process includes controller design, platform mapping and architecture optimization to address the challenge of tailoring an application-specific modular embedded processing platform already on the modelling level before interfacing state-of-the-art tool chains