Synchronisation von Steuerungen via Ethernet: Diplom 2015

Ziel dieser Diplomarbeit ist es für die Firma Imperix eine Synchronisation zwischen mehreren Systemen über ein Ethernet Netzwerk zu ermöglichen, wobei das Precision Time Protokoll sowie der Sync-E Standard verwendet werden sollen

Das FPGA-Entwicklungssystem CHDL

In dieser Arbeit wurde das Konzept der C++-basierten Hardwarebeschreibung für Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) weiterentwickelt und optimiert. Ergebnis ist ein homogenes System, das eine deutlich verbesserte Unterstützung für FPGA-Koprozessoren bietet als bisher verfügbare Werkzeuge: Das FPGA-Entwicklungssystem CHDL. CHDL integriert mehrere parallel einsetzbare Beschreibungsebenen von der detaillierten strukturellen Spezifikation über Zustandsmaschinen bis hin zur Hochsprachenbeschreibung. Die Simulation kann durch Nachbilden der Hardwareumgebung mittels C++-Funktionen das gesamte zu untersuchende System umfassen. Auch die Softwarekomponente des FPGA-Koprozessors ist in die Simulation einbezogen. Zusätzlich wird die Anwendung moderner Debugging-Verfahren wie Readback und partielle Rekonfiguration unterstützt. Die Ausgabe der Netzlisten erfolgt direkt im XNF- oder EDIF-Format. Beim Einsatz von CHDL muß der Entwickler nur eine einzige Sprache beherrschen, um Anwendungen für FPGA-Koprozessoren zu implementieren: C++. Ein handelsüblicher C++-Kompiler sowie die Place&Route-Software des FPGA-Herstellers reichen aus, um mit CHDL FPGA-Anwendungen zu entwickeln. Es werden keine weiteren Werkzeuge benötigt, insbesondere keine VHDL-Kompiler

Algorithmen, Architekturen und Technologie der optoelektronischen Rechentechnik

Der Einsatz optischer Verbindungen in der Rechentechnik verspricht viele der heute bei der Kommunikation zwischen Leiterplatten und zwischen integrierten Schaltkreisen auftretende Engpässe zu lösen. Optische Verbindungen moderaler Parallelität (10-20 Kanäle) zwischen Baugruppen sind, wie die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, mittlerweile technisch machbar. Die effiziente Nutzung optischer Verbindungen im Bereich chip-to-chip zum Aufbau eines 3-dimensionalen optoelektronischen VLSI (3-D O E-VLSI) erfordert dagegen wesentlich stärkere Eingriffe in die Architektur derzeitiger VLSI-Systeme. Aufgabe der Informatik ist einerseits die Entwicklung geeigneter Architekturen und zugehöriger Algorithmen und andererseits der Nachweis der hardwaretechnischen Machbarkeit der entwickelten Architekturkonzepte. In der Arbeit werden eine Reihe von Architekturvorschlägen unterbreitet, die weitgehend bis auf die Hardwareebene spezifiziert sind und teilweise in ersten Demonstrator- und Testschaltkreisen realisiert wurden. Dies betrifft ein superskalares aus Superpipelinestufen aufgebautes optoelektronisches 3-D Rechenwerk für Ganzzahlarithmetik, einen binären neuronalen Assoziativspeicher, figurierbare Hardwarestrukturen, eine 3-D Architektur für alle Prozessoren, systolische Addierer und ein Architekturkonzept für einen digitalen optoelektronischen Bildverarbeitungsprozessor. Durch theoretische Vergleiche wird der Nachweis erbracht, daß für die genannten Architekturen durch den Einsatz eines hochdichten optischen Verbindungssystems Steigerungen der Durchsatzrate von 1-3 Größenordnungen gegenüber rein-elektronischen Systemen möglich sind. Für den Assoziativspeicher, die rekonfigurierbare Hardware und das 3-D Rechenwerk für Ganzzahlarithmetik wurden erste einfache OE-VLSI-Schaltkreise auf der Basis optischer Modulatoren und PN-Detektoren realisiert. Da der Entwurf solcher Systeme neue rechnergestützte Entwurfssysteme erfordert, werden ferner die im Rahmen der Arbeit durchgeführten Entwicklungen für ein Simulations- und Synthesewerkzeug für 3-D OE-VLSI-Systeme dargestellt

Der ATLAS LVL2-Trigger mit FPGA-Prozessoren : Entwicklung, Aufbau und Funktionsnachweis des hybriden FPGA/CPU-basierten Prozessorsystems ATLANTIS

Diese Arbeit beschreibt die Konzeption und Realisierung des hybriden FPGA/CPU-basierten Prozessorsystems ATLANTIS als Triggerprozessor für das geplante ATLAS-Experiment am CERN. Auf der Basis von CompactPCI wird eine enge Verknüpfung zwischen einem Multi-FPGA-System und einer Standard-CPU umgesetzt. Das System ist in der Rechenleistung skalierbar und flexibel nutzbar. Dies wird durch die Aufteilung in spezifische FPGA-Boards für die Algorithmenausführung und I/O-Funktionalität und durch einen integrierten Privat-Bus erreicht. Die Untersuchungen mit dem ATLANTIS-System beziehen sich auf zwei Kernstellen der 2. Triggerstufe (LVL2). Zum einen soll die Ausführung zeitkritischer B-Physik-Triggeralgorithmen beschleunigt werden. Der im Rahmen dieser Arbeit als Funktionsnachweis durchgeführte Benchmark des Full-Scan-TRT-Algorithmus hat gezeigt, daß die Ausführung gegenüber einer Standard-CPU um einen Faktor 5.6 beschleunigt werden kann. Als zweite ATLAS-Anwendung werden mit dem ATLANTIS-System Studien zu den Readout-Systemen durchgeführt. Für Untersuchungen im LVL2-Prototypensystem ist eine dauerhafte Installation des ATLANTIS-Systems am CERN vorgesehen. Der universelle Charakter von ATLANTIS zeigt sich in weiteren Anwendungen, die für das System entwickelt werden und deren Umsetzung im Rahmen dieser Arbeit unterstützt wurde: Das sind Triggeraufgaben bei Experimenten an der GSI/Darmstadt, die beschleunigte Ausführung von 2D/3D-Bildverarbeitungsanwendungen und die Simulation von N-Körper-Systemen in der Astrophysik. Die Anwendungsentwicklung kann mit der standardisierten Hardwarebeschreibungssprache VHDL durchgeführt werden. Alternativ dazu kann die in Mannheim entwickelte Sprache CHDL benutzt werden. Die Entwicklungs-Tools werden durch das ATLANTIS-Betriebssystem ergänzt

Online- und Offline-Prozessierung von biologischen Zellbildern auf FPGAs und GPUs

Wenn Bilder von einem Mikroskop mit hohem Datendurchsatz aufgenommen werden, müssen sie wegen der großen Bildmenge in einer automatischen Analyse prozessiert werden. Es gibt zwei Ansätze: die Offlineprozessierung, die Verarbeitung der Bilder auf einem Cluster, und die Onlineprozessierung, die Verarbeitung des Pixelstroms direkt von den Sensoren. Für die Bewältigung der Bilddaten in der Offlineprozessierung setzt diese Arbeit auf Grafikkarten und demonstriert eine Implementierung der Haralick-Bildmerkmalerkennung in CUDA. Dabei wird der Algorithmus um den Faktor 1000, gegenüber einer CPU-Lösung, beschleunigt. Dies ermöglicht den Biologen weitere Tests und einen schnelleren Erkenntnisgewinn. Die Onlineprozessierung setzt auf FPGAs, die sich mit den Sensoren elektrisch verbinden lassen. Dabei soll sich der Algorithmus dem Bedarf der Biologen entsprechend verändern lassen. Diese Arbeit zeigt die Entwicklung eines OpenCL-FPGA-Kompilierer-Prototyps. Die Biologen können Algorithmen in OpenCL schreiben und in ein Hardwaredesign für den FPGA übersetzen, was in einer Hardwarebeschreibungssprache für sie zu komplex wäre. Neben der Einfachheit hat die parallele Sprache OpenCL den Vorteil der Portierbarkeit auf andere Architekturen. Falls der FPGA-Kompilierer wegen existierender Einschränkungen den Algorithmus nicht übersetzen kann, lässt sich das OpenCL-Programm auch für die GPUs in der Offlineprozessierung übersetzen

Design und Implementierung eines optimierenden VHBC-Compilers für die Virtual Hardware Machine und Realisierung der Virtual Hard

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Optimierung des VHBC-Compilers, die Erweiterung der Eingabedateiformate des Compilers um EDIF-Netzlisten, seine Anpassung an die veränderte Architektur der VHM und die Realisierung dieser Architektur mittels VHDL. Es wird der Aufbau und die Arbeitsweise des VHBC-Compilers erläutert und die neue Architektur der VHM ausführlich beschrieben. Dem geht ein Vergleich mit bestehenden Ansätzen rekonfigurierbarer Hardware und eine Analyse der Schwachpunkte der bestehenden VHM und des VHBC-Compilers voraus.This work describes the optimization of the VHBC-compiler, its extension to the input format EDIF, its adjustment to the changed architecture of the VHM and the realization of the VHM by means of VHDL