2.2 Systems-on-Chip (SoC)

1. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) SoC sind die konsequente Fortsetzung der grundlegenden Mikrocontroller-Idee: Aufbau eines Systems mit einer minimalen Anzahl externer Komponenten SoC: realisiere das ganze System mit einem einzigen Chip Diese Idee ist Gegenstand vieler verschiedener Forschungsrichtungen!

2. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) Interessante SoC Forschungsrichtungen: • Methoden für eine systematische SoC Entwicklung • Prozessorkerne als Benutzerbibliotheken • Rekonfigurierbare SoCs • Integration verschiedener Prozessorkerne • Selbstorganisation

3. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) Methoden für eine systematische SoC Entwicklung Notwendige Schritte: Design, Verifikation & Test • SoC kombinieren oft digitale und analoge Komponenten • Diese Komponenten müssen entwickelt, integriert und getestet werden • Klassische Hardware-Beschreibungssprachen (VHDL, Verilog) bewegen sich auf niederer Ebene im Vergleich zu Sprachen der Software-Entwicklung

4. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) Idee: man übertrage die Erfahrungen aus der Software-Entwicklung auf die Hardware- Entwicklung Man definiert “High-Level-Hardware-Beschreibungssprachen”, die folgende aus der Software-Entwicklung bekannte Konzepte einzuführen: • Objektorientierung (object orientation) • Vererbung (inheritance) • Wiederverwendung (resuse)

5. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) Beispiele: SystemC: Open System C Initiative www.systemc.org SystemVeriLog: System Verilog Organization www.systemverilog.org Cynthesizer: Forte Design Systems www.ForteDS.com

6. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) SystemC ist sehr ähnlich zu C++ Vorteile: • Hardware-Komponenten können als Objekte mit Schnittstellen (interfaces) und Funktionalität (functionality) definiert werden • ähnliche Sprachen zur Soft- und Hardware-Entwicklung ermöglichen zusätzliche Synergie-Effekte • Es können gemeinsame Werkzeuge für Soft- und Hardware verwendet werden • Der Datenaustausch wird erleichtert • Der Aufwand für das Erlernen durch den Benutzer wird verringert • Formale Hochsprachen erlauben eine Verifikation auf hoher Ebene

7. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) SoC Entwicklung mit einer Hochsprache

8. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) Das Testen kann unterstützt werden durch: • eingebettete Teststrukturen • Sichtbarmachung interner Hardware-Zustände • eingebauten Selbsttests • Herausforderung: die Entwicklung effizienter Selbsttests für analoge und digitale Teile eines SoC mit geringen Kosten und geringer zusätzlicher Fläche  Design for Testability. Denke bereits während der Entwicklung an den Test

9. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) Prozessorkern-Bibliotheken Grundidee: liefere einen Prozessor nicht als Hardware, sondern als Bibliothek aus. • Der Anwender kann den Prozessorkern dann leicht in seine eigene FPGA oder ASIC Entwicklung integrieren • Viele Prozessorkerne sind bereits als ASIC-Bibliothek verfügbare, z.B. • ARM • PowerPC • 80251 Kern

10. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) Erstellung eines SoC mit einer Prozessorkern-Bibliothek:

11. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) Gegenwärtige Herausforderungen an die Forschung: • Versuche das Gleiche mit FPGAs • Für kleine Stückzahlen ist eine FPGA-Entwicklung deutlich preiswerter als eine ASIC-Entwicklung • FPGA-Lösungen können “im Haus” erstellt werden • Wegen der geringeren Logikdichte von FPGAs sind bisher aber erst kleine Prozessorkerne (z.B. 8051) verfügbar

12. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) Rekonfigurierbare SoC Umkehrung der Idee der Prozessorkern-Bibliotheken Ein rekonfigurierbarer SoC besteht aus • einem Prozessorkern • Speicher • einem FPGA Array Während der Prozessorkern und der Speicher unveränderlich sind, kann der FPGA-Anteil rekonfiguriert werden

13. 2.2 Systems-on-Chip (SoC)

14. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) Dieser Ansatz ist in doppelter Hinsicht ein guter Kompromiss: • Prozessorkern und Speicher können in optimaler Weise realisiert werden Nur der rekonfigurierbare Anteil nutzt die hinsichtlich Geschwindigkeit und Logikdichte weniger optimale FPGA-Technologie • Der Anwender kann die Menge an “Spezial-Hardware” für eine gegebene Anwendung selbst bestimmen Der rekonfigurierbare Teil kann so personalisiert werden, dass er eine Aufgabe viel schneller als mittels Software lösen kann

15. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) Es können drei Typen von rekonfigurierbaren SoC unterschieden werden: • Statisch Rekonfigurierbar • Die Rekonfiguration benötigt längerer Zeit (Sekunden bis Minuten) • Das SoC wird einmal statisch für eine Aufgabe konfiguriert • Diese Konfiguration ändert sich zur Laufzeit niemals

16. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) • Semi-statisch Rekonfigurierbar Kann das FPGA schneller (Millisekunden) rekonfiguriert werden  Das System kann zur Laufzeit rekonfiguriert werden • Eine Aufgabe kann dann in Unteraufgaben zerlegt werden • Diese Unteraufgaben werden nach dem Pipeline-Prinzip durchgeführt • Während eine Unteraufgabe in Software ausgeführt wird, kann das FPGA für die nächste Unteraufgabe rekonfiguriert werden

17. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) • Dynamisch Rekonfigurierbar Neue FPGA Arrays ermöglichen eine sehr schnelle Rekonfiguration (Mikrosekunden) Ein andere Möglichkeit ist die “Vorab-Konfiguration” bestimmter Teile des Arrays und das Umschalten durch ein Konfigurations-Register  Das FPGA kann ‘on-the-fly’ rekonfiguriert werden • Das FPGA kann während der Ausführung einer Prozessorkern-Instruktion rekonfiguriert werden

18. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) Weiterhin zu unterscheiden: • Feinkörnig Rekonfigurierbare SoC Rekonfiguration auf Gatterebene, die Verschaltung von Gattern und Registern kann verändert werden. • Grobkörnig Rekonfigurierbare SoC Rekonfiguration auf Ebene von Funktionseinheiten (ALU, Speicher, …). Diese können neu vernetzt oder im Funktionsumfang verändert werden. (Schneller und einfacher als feinkörnige Rekonfiguration)

19. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) Beispiele rekonfigurierbarer SoC • AT94X Reihe von Atmel • statisch feinkörnig rekonfigurierbar • AVR8 Prozessorkern • FPGA Array mit bis zu 40k Gattern • Bei einigen Modellen (AT94S) geschützterKonfigurationsspeicher (Ausleseschutz)

20. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) • MorphoSys (UCI) • dynamisch grobkörnig rekonfigurierbar • 32-Bit-TinyRISC-Prozessorkern • 64 reconfigurierbare Zellen • Jede Zelle enthält • Logik • ALU • Register File • Die Rekonfiguration “on the fly” in der Geschwindigkeit des Prozessorkerns geschieht durch Umschalten vorgesetzter Kontext-Wörter • Anwendung: Bildbearbeitung

21. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) • HoneyComp (Universität Karlsruhe) HoneyComb Architecture start node routing node occupied paths adaptivly routed connection of distance i • Dynamisch adaptive und rekonfigurierbare Datenpfade zwischen Zellen (Rechenzellen, Speicherzellen, Ein-/Ausgabezellen)

22. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) Integration unterschiedlicher Prozessorkerne • Kombination von Mikrocontrollern und Signalprozessoren • Eine Möglichkeit, die große Anzahl heute verfügbarer Transistoren auf einem Chip zu nutzen • Aufgaben des Mikrocontroller-Teils: Ausführung von Steuer- und Regelanwendungen in Echtzeit Signalprozessor-Teils: optimierte Ausführung von Berech- nungen auf Datenströmen mit maximalem Durchsatz

23. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) Beispiele: TriCore, TriCore 2 (Infineon, www.infineon.com) TriCore kombiniert drei Teile: • ein RISC Prozessorkern mit • Mikrocontroller-Peripherie und • einer Hochgeschwindigkeits-Multiplizier-/Addier-Einheit • Daher ist TriCore ein erster Schritt • Er integriert Teile eines Signalprozessors in einen Mikrocontrollerkern • Es gibt immer noch einen einzigen Kern

24. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) Die Integration eines vollständigen Mikrocontrollerkerns mit einem Signalprozessor ist immer noch eine Herausforderung, da: • die Programmausführung eines Mikrocontrollers und eines Signalprozessors total unterschiedlich ist • ein Mikrocontroller versteckt seine interne Mikrorachitektur durch eine Architektur-Ebene (wie bei Mikroprozessoren) • die Parallelität ist unter Kontrolle des Prozessorkerns • ein Signalprozessor offenbart dem Anwender seine Mikroarchitektur • für maximale Effizienz ist die Parallelität unter Kontrolle des Anwenders

25. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) Sogar einfache Signalprozessoren ermöglichen den direkten Zugang zu ihren internen Komponenten:

26. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) Jeder Teil kann direkt durch das Instruktions-Wort gesteuert werden • Ein harmonische Integration beider Konzepte ist eine interessante Aufgabe • VLIW oder EPIC könnten einen vielversprechenden Ansatz darstellen

27. 2.2 Systems-on-Chip (SoC) Selbstorganisation • Neuer Forschungsaspekt • Betrifft nicht nur SoC • Daher gesonderter Abschnitt später

28. 2.3 Energiespar-Techniken • Microcontroller werden mehr und mehr in kleinen, mobilen Geräten genutzt (Ubiquitous Computing, Pervasive Computing) • Die verfügbare Energie wird durch eine Batterie begrenzt • Hauptanforderung: Erzielung einer maximalen Betriebszeit mit der verfügbaren Energie • Wärmeabgabe ist ein anderer Grund, den Energieverbrauch zu reduzieren

29. 2.3 Energiespar-Techniken Präzisierung der Begriffe: • Energie (Energy) und Leistung (Power) • Leistung (P) ist Energiefluss (E) pro Zeit (T)P = E / T bzw. E = P • T • Einheiten: Leistung kg •m2 / sec3 = Joule / sec = Watt Energie kg •m2 / sec2 = Joule = Wattsekunde • Auf elektrische Geräte bezogen:Leistung ist aufgenommene bzw. verbrauchte Energie pro Zeit(Leistungsaufnahme, Verlustleistung)

30. 2.3 Energiespar-Techniken Beispiel: • Mikrokontroller mit Leistungsaufnahme 10 Watt=> jede Sekunde werden 10 Wattsek. Energie verbraucht nach 1 Minute wurden 600 Wattsek verbraucht • Verringerung des Energieverbrauchs und der Leistungs-aufnahme sind verwandte, jedoch nicht identische Ziele • Zur Verlängerung der Batterielebensdauer=> Optimierungsziel Verringerung des Energieverbrauchs • Zur Reduktion der Temperatur=> Optimierungsziel Verringerung der Leistungsaufnahme

31. 2.3 Energiespar-Techniken Hauptwege zur Reduktion des Energieverbrauchs bzw. der Leistungsaufnahme: • Verringerung der Taktfrequenz • Verringerung der Versorgungsspannung • Optimierung der Mikroarchitektur

32. 2.3 Energiespar-Techniken Reduktion der Taktfrequenz • Einfache Maßnahme • Für CMOS Schaltungen gilt idealerweise: P = cd F~ F • Das bedeutet: Halbierung der Taktrate entspricht einer Halbierung der Leistungsaufnahme • Auf konstante Zeit Tk gesehen ist auch der Energieverbrauch proportional zur TaktrateEk = P  Tk= cd F Tk~ F

33. 2.3 Energiespar-Techniken Reduktion der Taktfrequenz • Problem: die Verarbeitungsgeschwindigkeit wird ebenfalls reduziert • Die Zeit Ta zur Erfüllung einer Aufgabe ist umgekehrt proportional zur TaktrateTa = ca / F ~ 1 / F • Der Energieverbrauch zur Erfüllung einer Aufgabe ist daher unabhängig von der TaktrateEa = P  Ta= cd F Ta = cd F  ca / F = cd ca= konstant

34. 2.3 Energiespar-Techniken Reduktion der Taktfrequenz • Für CMOS Schaltungen gilt realerweise: P = Ps + Pd = cs + cd F • Zusätzliche Verlustleistung Ps durch Leckströme, unabhängig von der Taktfrequenz, wachsen mit zunehmender Integrationsdichte1) • Es folgt für den EnergieverbrauchEa = P  Ta = (cs + cd F) ca / F = cs ca /F + cd ca • Mit abnehmender Taktfrequenz sinkt die Leistungsaufnahme, der Energieverbrauch wächst jedoch 1) bei Mikrocontrollern meist noch vernachlässigbar

35. 2.3 Energiespar-Techniken Reduktion der Versorgungsspannung • Nach dem Ohm’schen Gesetz gilt:P= U  I = U2 / R ~ U2 • Dies bedeutet: 70% Versorgungsspannung bewirken 50% Leistungsaufnahme • Hält man die Taktfrequenz zunächst konstant, so gilt für den Energieverbrauch über eine Zeit Tk bzw. zur Erfüllung einer Aufgabe in der Zeit Ta:Ek = P  Tk~ U2Ea = P  Ta~ U2

36. 2.3 Energiespar-Techniken Reduktion der Versorgungsspannung und Taktfrequenz • Variiert man Versorgungsspannung und Taktfrequenz gemeinsam, so gilt (Leckströme vernachlässigt):P= cg F U2~ F  U2 • Versorgungsspannung und Taktfrequenz sind jedoch nicht unabhängig, für die maximale Taktfrequenz gilt:F= cf U ~ U • Daraus erhält man die Kubusregel für die Leistungsaufnahme:P= cg cf  U3~ U3=cg / cf2 F3~ F3

37. 2.3 Energiespar-Techniken Reduktion der Versorgungsspannung und Taktfrequenz • Auf konstante Zeit Tk betrachtet gilt für den Energieverbrauch ebenfalls:Ek= P  Tk~ U3 ~ F3 • Zur Erfüllung einer Aufgabe ergibt sich durch die umgekehrte Proportionalität der Ausführungszeit Ta zur Taktfrequenz:Ea= P  Ta = cg cf U3ca / F = cg cf  U3ca / (cf  U) = cg ca U2= cg / cf2 F3ca / F = cgca / cf2 F2~ F2 ~ U2

38. 2.3 Energiespar-Techniken Forschungsansätze: • Optimierung der Taktfrequenz für die Anwendung • z.B. für Echtzeitsysteme: Anpassen der Taktfrequenz und Versorgungsspannung an die Deadlines • Ist die Deadline noch weit entfernt, kann die Verarbeitungsgeschwindigkeit und damit der Energiebedarf bzw. Leistungsaufnahme reduziert werden • Ist die Deadline nahe, werden die maximale Taktfrequenz und Versorgungsspannung genutzt • Ein geschlossener Regelkreis kann Taktfrequenz und Versorgungsspannung steuern

39. 2.3 Energiespar-Techniken Optimierung der Mikroarchitektur • Die bisher beschriebenen Ansätze reduzieren auch die Verarbeitungsgeschwindigkeit • Ein vielversprechende Idee: Optimierung der Mikroarchitektur zur Reduktion der Leistungsaufnahme ohne gleichzeitige Reduktion der Verarbeitungsgeschwindigkeit • Ansatzpunkte der Optimierung: • Reduktion externer Busaktivitäten • Statisches Power-Management • Dynamisches Power-Management • Erhöhung der Code-Dichte

40. 2.3 Energiespar-Techniken Reduktion der externen Busaktivitäten: • RISC Load-/Store Architekturen arbeiten hauptsächlich mit den internen Registern • Die Bus-Schnittstelle wird so für viele Operationen nicht benötigt und kann abgeschaltet werden • Ein umfangreicher interner Registersatz hilft, externe Buszugriffe zu reduzieren • Unterstützung für schmale Datentypen kann dies ebenfalls • Während eines 8-Bit Transfers können die oberen 24 Bit einer 32-Bit Busschnittstelle abgeschaltet bleiben

41. 2.3 Energiespar-Techniken Statisches Power Management: • Spezielle Instruktionen deaktivieren gerade nicht benötigte Komponenten wie • Nicht-flüchtigen Speicher • Ein-/Ausgabeeinheiten • Teile der ALU • Flüchtige Speicher können im Schlaf-Modus betrieben werden (z.B. durch Reduktion der Versorgungsspannung auf den zum Aufrechterhalten der Information notwendigen minimalen Level) • Schlaf-Modus des Prozessorkerns (z.B. durch statisches Steuerwerk mit 0 Hz minimaler Taktfrequenz)

42. 2.3 Energiespar-Techniken Dynamisches Power Management: • Der Prozessor deaktiviert automatisch nicht benötigte Komponenten • Dies kann z.B. in der Pipeline durchgeführt werden • Wenn schmale Datentypen unterstützt werden, können Teile der ALU und der internen Datenpfade deaktiviert werden • Für einen 8-Bit Datentyp werden z.B. die oberen 24 Bit einer 32 Bit ALU nicht gebraucht und können zur Leistungs- und Energieeinsparung deaktiviert werden

43. 2.3 Energiespar-Techniken Erhöhung der Code-Dichte: • Code-Dichte: Anzahl benötigter Befehle um eine Anwendung zu schreiben • Eine hohe Code-Dichte bedeutet, weniger Befehle sind notwendig • Dies spart aus zwei Gründen Energie: • Weniger Speicher wird gebraucht • Weniger Buszyklen zur Ausführung der Anwendung sind nötig • Von diesem Standpunkt aus ist CISC besser als RISC

44. 2.3 Energiespar-Techniken Weitere Forschungsansätze • Die vorigen Sektionen haben gezeigt: es besteht ein komplexer Zusammenhang zwischen Architektur, Mikroarchitektur und Leistungsaufnahme bzw. Energiebedarf  Es wäre günstig, so früh wie möglich während der Entwicklung eines Mikrocontrollers Abschätzungen des Energieverbrauchs und der Leistungsaufnahme vorzunehmen • Heute: Abschätzung auf Grundlage der Register-Transfer- und Gatter-Ebene • Künftig: Abschätzungen auf Mikroarchitekturebene

45. 2.3 Energiespar-Techniken • Idee: man nehme einen taktgenauen Mikroarchitektur-Simulator (zur Abschätzung der Verarbeitungsgeschwindigkeit) • Man füge Energie- und Leistungsmodelle zur Abschätzung hinzu • Diese Modelle schätzen den Energieverbrauch und die Leistungsaufnahme jeder Mikroarchitektur-Komponente für • jeden Taktzyklus und • jeden Zustand • Ein Standard-Simulator enthält nur Mikroarchitektur-Parameter • Energiemodelle beinhalten zusätzlich Technologie-Parameter

46. 2.3 Energiespar-Techniken Beispiel:

47. 2.4 Java und Java-Prozessoren für eingebettete Systeme Java bietet viele Vorteile für eingebettete Systeme: • Einfache Programmierung • Wiederverwendbarkeit • Robustheit • Reicher Satz von Standard-Klassenbibliotheken Java Bytecode ist • portabel • klein • sicher

48. 2.4 Java und Java-Prozessoren für eingebettete Systeme Java Pakete für eingebettete Systems (Sun): • Java Micro-Editionzum Programmieren einfacher Geräte mit grafischer Oberfläche, ggf. vernetzt • Java Wireless Toolkit • Connected Device Configuration • Connected Limited Device Configuration • Embedded Java • Java Card zur Programmierung von Smart Cards

49. 2.4 Java und Java-Prozessoren für eingebettete Systeme Probleme mit eingebetteten Echtzeitsystemen: • Die ursprüngliche Java-Sprachdefinition enthält keinerlei Echtzeit-Elemente • niedere Verarbeitungsgeschwindigkeit bei interpretierter JVM • Schlechtes Best-/Worst-Case Intervall für die Ausführungszeit bei JIT-compiler basierter JVM • Leistungsfähige Hardware für Flash-Compiler erforderlich • Verlust der Portabilität bei nativem Compiler • Garbage Collection wirft zusätzliche Probleme auf

50. 2.4 Java und Java-Prozessoren für eingebettete Systeme Lösungen: • Hybride Java Systeme • Echtzeit-Java • Java-Prozessoren