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POLITECNICO DI MILANO
Ivan Beretta (Matricola: 662945)
Stefano Bosisio (Matricola: 661865)
Integrazione del soft Integrazione del soft processor MicroBlaze processor MicroBlaze
nell’architettura nell’architettura riconfigurabile YaRAriconfigurabile YaRA
Relatore: Prof. Donatella SCIUTORelatore: Prof. Donatella SCIUTOCorrelatore: Ing. Marco Domenico SANTAMBROGIOCorrelatore: Ing. Marco Domenico SANTAMBROGIO
27 Settembre 200627 Settembre 2006
2
SommarioSommario
ObiettiviSupporto per la riconfigurabilità interna
Controller ICAPImplementazione in YaRA
Integrazione di MicroBlazeConfronto funzionale e strutturale con PowerPCNuova parte fissa di YaRA basata su MicroBlaze
Risultati sperimentaliRiconfigurabilità interna e prestazioni dell’ICAPSintesi con MicroBlaze e prestazioni del bus WISHBONE
ConclusioniSviluppi futuriDomande
3
ObiettiviObiettivi
Estensione dell’architettura YaRA:Obiettivi generali
Supporto per la riconfigurabilità internaAumento della portabilità dell’architettura
Obiettivi specificiIntroduzione di un controller ICAPSostituzione dell’hard processor PowerPC con il soft processor MicroBlaze
Obiettivi
Riconfigurabilità
interna
MicroBlaze
Risultati
sperimentali
Conclusioni
Sviluppi futuri
Domande
4
ICAP: Internal Configuration Access ICAP: Internal Configuration Access PortPort
Porta interna tramite la quale il processore può accedere alla programmazione della FPGA
Presente sulle FPGA delle famiglie Virtex II e Virtex II – Pro
Necessita di un controller per la gestione del flusso di dati tra processore e porta
Obiettivi
Riconfigurabilità
interna
ICAP
Implementazione
MicroBlaze
Risultati
sperimentali
Conclusioni
Sviluppi futuri
Domande
PowerPCICAP
Controller
ICAP
MemoryControlle
rMemoria
Bus di sistema
5
ImplementazioneImplementazione
Controller ICAP interfacciato al bus PLB
Consente la riconfigurazione mediante l’utilizzo di soli bitstream differenza
Riceve dal processore 1 Byte alla volta
Il processore riceve i bitstream tramite interfaccia seriale o una memoria interna
Non sono previste operazioni di inizializzazione
Non è previsto l’utilizzo di un buffer interno
Obiettivi
Riconfigurabilità
interna
ICAP
Implementazione
MicroBlaze
Risultati
sperimentali
Conclusioni
Sviluppi futuri
Domande
Serial PortWISHBONE
UARTControll
erOPB
OPB-WISHBONE
Bridge
OPBArbiter PLB-OPB
Bridge
PLB
ICA
P P
ort
ICAPControll
er
PowerPC
PLBArbiter
MemoryControll
er
Memory
YaRA Fix - PowerPC
6
MicroBlaze: i motivi della MicroBlaze: i motivi della sceltascelta
MicroBlaze: soft processor proprietario, distribuito da Xilinx
Maggiore portabilità rispetto a PowerPC
Integrato nei normali flussi di sviluppo dei software Xilinx
Piena compatibilità con il normale flusso di YaRA
Flessibile e largamente configurabile a seconda delle esigenze
Minore occupazione in termini di area
Obiettivi
Riconfigurabilità
interna
MicroBlaze
La scelta
Confronto PPC
Nuova parte fissa
Risultati
sperimentali
Conclusioni
Sviluppi futuri
Domande
7
Confronto tra PowerPC e Confronto tra PowerPC e MicroBlazeMicroBlaze
Obiettivi
Riconfigurabilità
interna
MicroBlaze
La scelta
Confronto PPC
Nuova parte fissa
Risultati
sperimentali
Conclusioni
Sviluppi futuri
Domande
PowerPC 405
MicroBlaze
TipoHard ProcessorRISC a 32 bit
Soft ProcessorRISC a 32 bit
Frequenze di lavoro(su Virtex II – Pro)
100, 200 e 300 MHz Fino a 150 MHz
Accesso a dati ed istruzioni
Separato(Harvard architecture)
Separato(Harvard architecture)
Interfaccia esterna IBM CoreConnectIBM CoreConnect e
alcune soluzioni proprietarie
Memory Management Unit
Sì No
Supporto per sistemi operativi
Sì Soluzioni apposite per sistemi privi di MMU
(e.g. μCLinux)
ProgrammazioneVari compilatori per linguaggi più comuni (ANSI-C, C++, etc.)
Vari compilatori per linguaggi più comuni (ANSI-C, C++, etc.)
8
Serial PortWISHBONE
UARTControll
erOPB
OPB-WISHBONE
Bridge
OPBArbiter
LMB
MicroBlaze
MemoryControll
er
Memory
YaRA Fix - MicroBlaze
La nuova parte fissa basata su La nuova parte fissa basata su MicroBlaze - IMicroBlaze - I
Obiettivi
Riconfigurabilità
interna
MicroBlaze
La scelta
Confronto PPC
Nuova parte fissa
Risultati
sperimentali
Conclusioni
Sviluppi futuri
Domande
Basata sul soft processor MicroBlaze
Frequenza di funzionamento di 100 MHz
Accesso a dati ed istruzioni tramite bus LMB (Local Memory Bus)
Interfaccia master direttamente su bus OPB
9
La nuova parte fissa basata su La nuova parte fissa basata su MicroBlaze - IIMicroBlaze - II
Obiettivi
Riconfigurabilità
interna
MicroBlaze
La scelta
Confronto PPC
Nuova parte fissa
Risultati
sperimentali
Conclusioni
Sviluppi futuri
Domande
YaRA Fix - PowerPC
Serial Port
WISHBONE
UARTControlle
r
OPB
OPBArbiter PLB-OPB
Bridge
PLB
ICA
P P
ort
ICAPControlle
r
PowerPC
PLBArbiter
MemoryControlle
r
Memory
OPB-WISHBONE
BridgeSerial PortWISHBONE
UARTControll
erOPB
OPB-WISHBONE
Bridge
OPBArbiter
LMB
MicroBlaze
MemoryControll
er
Memory
YaRA Fix - MicroBlaze
10
Riconfigurabilità interna: sostituzione intero Riconfigurabilità interna: sostituzione intero modulomodulo
Sostituzione di un intero modulo riconfigurabile
Bitstream differenza di grandi dimensioniInvio tramite interfaccia seriale
Confronto fra comportamento ottenuto e atteso
Obiettivi
Riconfigurabilità
interna
MicroBlaze
Risultati
sperimentali
Riconfigurabilità interna
Prestazioni ICAP
Sintesi MicroBlaze
Prestazioni WISHBONE
Conclusioni
Sviluppi futuri
Domande
0xDEAD BEEF
Modulo 1:Sommatore non
resettabile
0x0000 0005
0xDEAD BEEF
…
0xDEAD BEEF
Modulo 2:Sommatoreresettabile
0x0000 0005
0xDEAD BEEF
…
Lettura da Modulo: 0xDEAD BEF4
Lettura da Modulo: 0xBD5B 7DE8
Lettura da Modulo: 0x9C09 3CDC
…
Lettura da Modulo: 0x0000 0005
Lettura da Modulo: 0x0000 0005
Lettura da Modulo: 0x0000 0005
…
11
Riconfigurabilità interna: prestazioni controller Riconfigurabilità interna: prestazioni controller ICAPICAP
Riconfigurazione di pochi frame
Bitstream differenza di piccole dimensioni
possibile memorizzazione direttamente sulle BRAM
Misura di tempi di riconfigurazione “consistenti”
Frame
Byte100 MHz
200 MHz
300 MHz
1 1454 1,4256 1,2655 1,1928
2 2318 2,2723 2,0172 1,9013
3 3182 3,1191 2,7689 2,6098
141061
010,398
59,2325 8,7024
161233
812,091
910,7352
10,1198
Obiettivi
Riconfigurabilità
interna
MicroBlaze
Risultati
sperimentali
Riconfigurabilità interna
Prestazioni ICAP
Sintesi MicroBlaze
Prestazioni WISHBONE
Conclusioni
Sviluppi futuri
Domande
100 MHz 200 MHz 300 MHz
1,02 MB/s
1,15 MB/s
1,22 MB/s
+13 %
+20 %
12
Sintesi: MicroBlaze vs PowerPC - ISintesi: MicroBlaze vs PowerPC - I
RisorsaDisponi
biliPowerP
CMicroBla
ze
Slices 4928 1154 864
Slices Flip-Flop
9856 1194 703
4-Input LUTs
9856 980 982
BRAM 44 16 16
PPC405s 1 1 0
0%
5%
10%
15%
20%
25%
Realizzazione YaRA con MicroBlaze
Confronto dati occupazionali parte fissa MicroBlaze e parte fissa PowerPC
Obiettivi
Riconfigurabilità
interna
MicroBlaze
Risultati
sperimentali
Riconfigurabilità interna
Prestazioni ICAP
Sintesi MicroBlaze
Prestazioni WISHBONE
Conclusioni
Sviluppi futuri
Domande
23%
12%
9%
17%
7%9%
PowerPC
MicroBlaze
-6%
-5%
Slices Slices Flip-Flop 4-Input LUTs
13
Sintesi: MicroBlaze vs PowerPC - IISintesi: MicroBlaze vs PowerPC - II
Obiettivi
Riconfigurabilità
interna
MicroBlaze
Risultati
sperimentali
Riconfigurabilità interna
Prestazioni ICAP
Sintesi MicroBlaze
Prestazioni WISHBONE
Conclusioni
Sviluppi futuri
Domande
Parte fissa di YaRA (PowerPC)
Parte fissa di YaRA (MicroBlaze)
14
PowerPC
MicroBlaze
0
1
2
3
4
5
6
7
Prestazioni del bus Prestazioni del bus WISHBONEWISHBONE
Misurazione dei tempi di accesso in scrittura/lettura sul bus WISHBONEVerifica dei vantaggi derivanti dall’assenza del bridge PLB-OPB e dello stesso PLB
Obiettivi
Riconfigurabilità
interna
MicroBlaze
Risultati
sperimentali
Riconfigurabilità interna
Prestazioni ICAP
Sintesi MicroBlaze
Prestazioni WISHBONE
Conclusioni
Sviluppi futuri
Domande
Numero cicli scrittura/lettura
PowerPC
MicroBlaze
1 1,06 μs 0,51 μs
2 2,16 μs 0,69 μs
3 3,52 μs 0,88 μs
4 4,88 μs 1,07 μs
5 6,24 μs 1,26 μs
1,06
2,16
3,52
4,88
6,24
0,51 0,690,88
1,071,26
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ConclusioniConclusioni
Completa autonomia dell’architettura YaRA (basata su PowerPC) ottenuta mediante l’introduzione del controller ICAP
Capacità di effettuare tutte le tipologie di riconfigurabilità
Notevoli risultati dall’utilizzo del soft processor MicroBlaze
Aumento della portabilità (possibile implementazione su tutte le FPGA)Diminuzione dell’area occupataIncremento delle performance di WISHBONE
Obiettivi
Riconfigurabilità
interna
MicroBlaze
Risultati
sperimentali
Conclusioni
Sviluppi futuri
Domande
16
Sviluppi futuriSviluppi futuri
Interfacciare il controller ICAP al bus OPBModificare la disposizione dell’architettura su FPGA
Parte fissa a sinistra, in modo da poter accedere ai pin della memoria esternaCollegamento ad hoc con l’ICAP (in basso a destra) mediante macro hardware
Obiettivi
Riconfigurabilità
interna
MicroBlaze
Risultati
sperimentali
Conclusioni
Sviluppi futuri
Domande
17
Domande?Domande?
Grazie per l’attenzione…
Obiettivi
Riconfigurabilità
interna
MicroBlaze
Risultati
sperimentali
Conclusioni
Sviluppi futuri
Domande
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