Flexible interconnection networks for dynamically reconfigurable architectures
Réseaux d'interconnexion flexible pour architecture reconfigurable dynamiquement
Résumé
Dynamic and partial reconfiguration allows to dynamically allocate the tasks constituting an application in the reconfigurable regions of an FPGA. However, dynamic management of the tasks directly impacts the communications since tasks are not always implemented at the same place in the FPGA. So, the communication architecture must support high flexibility and significant qualities of service (guaranteed bandwidth and/or latency). In this PhD, several interconnection architectures were studied and evaluated regarding their compliance with a dynamically reconfigurable system implemented in FPGA. This study led to the proposal of the DRAFT network that fully supports this concept. This network uses some specificities of the dynamically reconfigurable systems to reduce its hardware resources consumption. Furthermore, if several constraints are verified, the performances are not influenced by the dynamic allocation of the tasks. A network generator, DRAGOON, is also presented in order to implement and simulate the DRAFT network. Following the realization and characterization of this network which was compared with two very popular networks, its integration inside a system was studied. Consequently, a standard interface was designed in order to ease the interconnection of elements such as microprocessors. Considering the degree of complexity of the hardware parts of a reconfigurable system, an OS is often used to act as an abstraction layer. So, a service allowing to realize communications between the various elements of a system while providing a complete abstraction of the DRAFT network was designed in hardware. Considering the various constraints on the use of DRAFT, the OCEAN network was proposed. This network allows a simple interconnection of the elements constituting a system with great flexibility. For this purpose, the OCEAN network is based on two sub-networks, one being dedicated to data transfers, while the other ensures its control. OCEAN network lies on dynamically created communication paths following applicative requirements. This network particularly targets ASIC implementations All these networks were validated and characterized through experiments and implementations in FPGA. Results demonstrate the adequacy between proposed networks and the actual needs, also with the support of complex applications using dynamic reconfiguration. The OCEAN network even proposes an evolution toward future dynamic architectures.
La reconfiguration dynamique partielle permet de placer dynamiquement les tâches d'une application dans des zones reconfigurables d'un FPGA. Cependant, la gestion dynamique des tâches impacte les communications du fait que les tâches ne sont pas toujours allouées au même endroit dans le FPGA. Ainsi, l'architecture d'interconnexions doit supporter une grande flexibilité et un large éventail de qualité de service (bande passante ou latence garantie). Dans cette thèse, plusieurs architectures d'interconnexion ont été étudiées et évaluées en fonction de leur compatibilité avec un système reconfigurable dynamiquement implémenté sur FPGA. Cette étude a conduit à proposer le réseau DRAFT qui supporte pleinement ce concept. Ce réseau utilise certaines spécificités des systèmes reconfigurables dynamiquement actuels pour réduire sa consommation de ressources. De plus, si certaines contraintes sont vérifiées, les performances ne sont pas affectées par l'allocation dynamique des tâches. Un générateur de réseaux, DRAGOON, est aussi présenté afin d'implémenter et de simuler le réseau DRAFT. Suivant la réalisation et la caractérisation du réseau DRAFT qui a été comparé à deux réseaux très populaires, son intégration au sein d'un système a été étudiée. C'est ainsi qu'une interface standard a été développée afin de faciliter l'interconnexion d'éléments tels que des processeurs. Etant donné le degré de complexité des parties matérielles d'un système reconfigurable, un OS est souvent utilisé pour en permettre l'abstraction. Ainsi, un service de communication permettant de réaliser des échanges entre les différents éléments d'un système tout en ayant une abstraction totale du réseau DRAFT a été conçu matériellement. Considérant les différentes contraintes liées à l'utilisation de DRAFT, le réseau OCEAN a été proposé. Ce réseau permet une simplification de l'interconnexion des éléments d'un système avec une très grande souplesse d'utilisation. Ce réseau est pour cela basé sur deux sous- réseaux, l'un étant dédié au transport des données tandis que l'autre en assure le contrôle. Le réseau OCEAN repose sur des chemins de communication créés dynamiquement en fonctions des besoins. Ce réseau dynamique vise plutôt une cible ASIC. L'ensemble des réseaux proposés ont été validés et caractérisés au travers d'expériences et d'implantations sur FPGA. Les résultats montrent une adéquation avec les besoins actuels, et le support efficace de la dynamicité des applications complexes. Le réseau OCEAN propose même une évolution pour de futures architectures dynamique.