Parallel Hardware- and Software Threads in a Dynamically Reconfigurable System on a Programmable Chip

Today’s embedded systems depend on the availability of hybrid platforms, that contain heterogeneous computing resources such as programmable processors units (CPU’s or DSP’s) and highly specialized hardware cores. These platforms have been scaled down to integrated embedded system-on-chip. Modern platform FPGAs enhance such systems by the flexibility of runtime configurable silicon. One of the major advantages that arises is the ability to use hardware (HW) and software (SW) resources in a time-shared manner. Though the ability to dynamically assign computing resources based on decisions taken at runtime is given

Reliability and Makespan Optimization of Hardware Task Graphs in Partially Reconfigurable Platforms

This paper addresses the problem of reliability and makespan optimization of hardware task graphs in reconfigurable platforms by applying fault tolerance (FT) techniques to the running tasks based on the exploration of the Pareto set of solutions. In the presented solution, in contrast to the existing approaches in the literature, task graph scheduling, tasks parallelism, reconfiguration delay, and FT requirements are taken into account altogether. This paper first presents a model for hardware task graphs, task prefetch and scheduling, reconfigurable computer, and a fault model for reliability. Then, a mathematical model of an integer nonlinear multi-objective optimization problem is presented for improving the FT of hardware task graphs, scheduled in partially reconfigurable platforms. Experimental results show the positive impacts of choosing the FT techniques selected by the proposed solution, which is named Pareto-based. Thus, in comparison to nonfault-tolerant designs or other state-of-the-art FT approaches, without increasing makespan, about 850% mean time to failure (MTTF) improvement is achieved and, without degrading reliability, makespan is improved by 25%. In addition, experiments in fault-varying environments have demonstrated that the presented approach outperforms the existing state-of-the-art adaptive FT techniques in terms of both MTTF and makespan

RASA: Reliability-Aware Scheduling Approach for FPGA-Based Resilient Embedded Systems in Extreme Environments

Field-programmable gate arrays (FPGAs) offer the flexibility of general-purpose processors along with the performance efficiency of dedicated hardware that essentially renders it as a platform of choice for modern-day robotic systems for achieving real-time performance. Such robotic systems when deployed in harsh environments often get plagued by faults due to extreme conditions. Consequently, the real-time applications running on FPGA become susceptible to errors which call for a reliability-aware task scheduling approach, the focus of this article. We attempt to address this challenge using a hybrid offline-online approach. Given a set of periodic real-time tasks that require to be executed, the offline component generates a feasible preemptive schedule with specific preemption points. At runtime, these preemption events are utilized for fault detection. Upon detecting any faulty execution at such distinct points, the reliability-aware scheduling approach, RASA, orchestrates the recovery mechanism to remediate the scenario without jeopardizing the predefined schedule. Effectiveness of the proposed strategy has been verified through simulation-based experiments and we observed that the RASA is able to achieve 72% of task acceptance rate even under 70% of system workloads with high fault occurrence rates

Flot de conception automatique pour circuits commutables

National audienceLes FPGA, ou puces reconfigurables, n’ont pas cessé d’évoluer depuis leur création et sont désormais utilisés dans des systèmes complets (Xilinx Zynq ou Altera Stratix). Malgré tout, il reste de nombreux champs applicatifs desquels ils sont absents, et à tort. Utiliser les FPGA de manière plus intense au sein de systèmes complets est possible, mais il faut pour cela développer les capacités multi-utilisateurs de ces plateformes. Donner la capacité à une application s’exécutant sur un FPGA de se stopper pour, par exemple, laisser s’exécuter d’autres applications jugées prioritaires est particulièrement intéressant. Une telle action est qualifiée de « changement de contexte » (en anglais context-switch).Dans cet article, nous présentons une méthode et un outil permettant de donner cette capacité à des circuits fonctionnant sur cible reconfigurable. Le flot de conception présenté s’appuie sur un logiciel de synthèse de haut niveau et offre automatiquement la capacité de commutation aux circuits synthétisés. Les expériences menées sur un panel de circuits classiques montrent que l’ajout de cette capacité à un coût relativement faible ainsi qu’une rapidité de commutation sans égale dans la littérature

Schedulability Analysis of Preemptive and Nonpreemptive EDF on Partial Runtime-Reconfigurable FPGAs

Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are very popular in today's embedded systems design, and Partial Runtime-Reconfigurable (PRTR) FPGAs allow HW tasks to be placed and removed dynamically at runtime. Hardware task scheduling on PRTR FPGAs brings many challenging issues to traditional real-time scheduling theory, which have not been adequately addressed by the research community compared to software task scheduling on CPUs. In this article, we consider the schedulability analysis problem of HW task scheduling on PRPR FPGAs. We derive utilization bounds for several variants of global preemptive/nonpreemptive EDF scheduling, and compare the performance of different utilization bound tests

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