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