Middleware para sistemas embebidos baseados em Linux acelerados em hardware

Abstract

Com o avanço tecnológico as Field-Programmable Gate Array (FPGA) aumentaram as suas capacidades computacionais podendo executar paralelamente tarefas complexas, processando grandes quantidades de dados. Os mais recentes chips FPGA podem conter, para além de uma grande quantidade de lógica programá- vel, vários poderosos processadores. Nestes processadores pode ser executado um sistema operativo sofisticado com inúmeras vantagens, como o Linux, enquanto que na lógica programável podem ser instanciados co-processadores dedicados que podem otimizar um processo de computação intensiva ou com requisitos temporais exigentes. Este tipo de aplicações híbridas (CPU+FPGA) resulta de um processo avançado de Hardware/Software Co-Design, onde se exige o domínio das várias tecnologias integrantes. De modo a facilitar este processo e torná-lo mais eficiente têm sido desenvolvidas na comunidade científica ferramentas que o auxiliam. Nesta dissertação pretende-se desenvolver um middleware que presta serviços à aplicação no controlo e comunicação com os aceleradores hardware, promovendo o desenvolvimento de aplicações híbridas (ou aceleração em hardware de aplicações software) no ambiente de sistema operativo Linux. O MiLHA (Middleware for Linux Hybrid Applications) é o serviço de suporte à aceleração em hardware de aplicações baseadas em Linux desenvolvido no âmbito desta dissertação. O MiLHA fornece um modelo de programação paralelo que integra processamento em software através de threads e processamento em hardware através de aceleradores por via de interface direta entre eles, abstraindo o programador de toda a complexidade que isso implica. Para além disso fornece um ambiente que auxilia a integração do acelerador no SoC.

With the current technological progress, the FPGA computing demands increased so they can process complex parallel tasks, processing large amounts of data. The newest FPGA chips may contain, in addition to a large quantity of programmable logic, several powerful processors. These processors may run sophisticated operating systems, such as Linux, with numerous advantages, while dedicated coprocessors, instantiated in the programmable logic, can optimize processes with compute-intensive demands or hard time requirements. This hybrid applications (CPU + FPGA) results from an advanced process of Hardware/Software CoDesign, in which the designer must have advanced skills covering all technologies. In order to simplify and improve this process, several tools have been developed and reported in the literature. This aim of this thesis is to develop a middleware that provides services in order to control and communicate with hardware accelerators. Moreover, we intended to promote the design of hybrid and hardware accelerated applications on the Linux OS environment. The MiLHA (Middleware for Linux Hybrid Applications) is the service developed under the scope of this dissertation that supports the hardware acceleration of Linux Applications. The MiLHA provides a parallel programming model that integrates both software and hardware processing under threads and accelerators, respectively. MiLHA automatizes the interface between them, avoiding the complexity that it implies. Furthermore, MiLHA provides an environment that assists the integration of the hardware accelerator in the SoC.