Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica Industrial e ComputadoresTraditionally, embedded systems were dedicated single-purpose systems characterised
by hardware resource constraints and real-time requirements. However,
with the growing computing abilities and resources on general purpose platforms,
systems that were formerly divided to provide different functions are now merging
into one System on Chip. One of the solutions that allows the coexistence
of heterogeneous environments on the same hardware platform is virtualization
technology, usually in the form of an hypervisor that manage different instances
of OSes and arbitrate their execution and resource usage, according to the chosen
policy.
ARM TrustZone has been one of the technologies used to implement a virtualization
solution with low overhead and low footprint. µRTZVisor a TrustZoneassisted
hypervisor with a microkernel-like architecture - is a bare-metal embedded
hypervisor that relies on TrustZone hardware to provide the foundation to implement
strong spatial and temporal isolation between multiple guest OSes.
The use of Partial Reconfiguration allows the designer to define partial reconfigurable
regions in the FPGA and reconfigure them during runtime. This allows
the system to have its functionalities changed during runtime using Dynamic Partial
Reconfiguration (DPR), without needing to reconfigure all the FPGA. This
is a major advantage, as it decreases the configuration overhead since partial bitstreams
are smaller than full bitstreams and the reconfiguration time is shorter.
Another advantage is reducing the need for larger logic areas and consequently
reducing their power consumption.
Therefore, a hypervisor that supports DPR brings benefits to the system. Aside
from better FPGA resources usage, another improvement that it brings, is when
critical hardware modules misbehave and the hardware module can be replaced.
It also enables the controlling and changing of hardware accelerators dynamically,
which can be used to meet the guest OSes requests for hardware resources as the
need appears. The propose of this thesis is extending the µRTZVisor to have a
DPR mechanism.Tradicionalmente, os sistemas embebidos eram sistemas dedicados a uma única
tarefa e apenas limitados pelos seus requisitos de tempo real e de hardware. Contudo,
como as plataformas de uso geral têm cada vez mais recursos e capacidade
de processamento, muitos dos sistemas que executavam separadamente, passaram
a apenas um sistema em plataforma recorrendo à tecnologia de virtualização, normalmente
como um hipervisor que é capaz de gerir múltiplos sistemas operativos
arbitrando a sua execução e acesso aos recursos da plataforma de acordo com uma
politica predefinida.
A tecnologia TrustZone da ARM tem sido uma das soluções implementadas
sem ter grande impacto na performance dos sistemas operativos. µRTZVisor é um
dos hipervisores baseados na TrustZone para implementar um isolamento espacial
e temporal entre múltiplos sistemas operativos, sendo que defere de outras uma
vez que é de arquitectura microkernel.
O uso de Reconfiguração Parcial Dinâmica (RPD) permite ao designer definir
várias regiões reconfiguráveis no FPGA que podem ser dinamicamente reconfiguradas
durante o período de execução. Esta é uma grande vantagem, porque reduz
os tempos de reconfiguração de módulos reconfiguráveis uma vez que os seus bitstreams
são mais pequenos que bitstreams para a plataforma toda. A tecnologia
também permite que nos FPGAs não sejam necessárias áreas lógicas tão grandes,
o que também reduz o consumo de energia da plataforma.
Um hipervisor que suporte RPD traz grandes benefícios para o sistema, nomeadamente
melhor uso dos recursos de FPGA, implementação de aceleradores em
hardware dinamicamente reconfiguráveis, e tratamento de falhas no hardware. Se
houverem módulos que estejam a demonstrar comportamentos inesperados estes
podem ser reconfigurados. O uso de aceleradores reconfiguráveis permite que o
hardware seja adaptável conforme a necessidade destes pelos diferentes sistemas
operativos. A proposta desta dissertação é então estender o µRTZVisor para ter
a capacidade de usar módulos reconfiguráveis por RPD
