Ein Betriebssystem für konfigurierbare Hardware
Creators: name: Krutz, David
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät II
Year: 2007
Subjects: subject: heterogenes System
subject: Betriebssystem
subject: VHDL
subject: FPGA
subject: heterogeneous system
subject: operating system
subject: 004 Informatik
subject: 28 Informatik, Datenverarbeitung

description: In dieser Arbeit wird die Möglichkeit der Unterstützung des Hardwareentwurfs mit VHDL durch ein Hardwarebetriebssystem untersucht. Durch die Wiederverwendung von Betriebssystemmodulen sollen die Entwicklungszeit verkürzt, die Nachnutzbarkeit von Entwürfen verbessert und die Zuverlässigkeit erhöht werden. Um ein Betriebssystemkonzept umzusetzen, müssen spezielle Anforderungen an die Programmiersprache gestellt werden. Diese werden von VHDL nicht erfüllt. Daher wird ein Strukturcompiler vorgestellt, der unter Beibehaltung der Syntax der Sprache VHDL den zusätzlichen Anforderungen gerecht wird. Der Strukturcompiler verbindet das Anwendungsprogramm mit den Betriebssystemmodulen und erzeugt daraus ein VHDL-Programm, das mit den typischen FPGA-Entwicklungswerkzeugen simuliert oder synthetisiert werden kann. Bei der Entwicklung des Betriebssystems für konfigurierbare Hardware hat sich herausgestellt, dass sich dieses nur eingebettet in ein Gesamtkonzept für den Entwurf von heterogene Systeme sinnvoll anwenden lässt. Deshalb wird in dieser Arbeit eine Methode für die Entwicklung von heterogenen Systemen auf Basis eines Signalflussgraphen diskutiert. Angewendet wurde das Betriebssystemkonzept auf verschiedenen FPGA-Karten, sowohl käuflich erworbene als auch Eigenentwicklungen. Das für diese Karten erstellte Betriebssystem umfasst dabei Module zur Kommunikation zwischen FPGA und PC sowie zur Anbindung verschiedener externer Peripheriegeräte, wie z.B. Speicher. Es wurde ebenfalls untersucht wie Prozessoren als Bestandteil der konfigurierbaren Hardware in das Betriebssystemkonzept integriert werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wurden auch viele Beispielanwendungen untersucht. Diese wurden einerseits zum Testen des Strukturcompilers und der Betriebssystemmodule benutzt. Andererseits fand das Betriebssystemkonzept für konfigurierbare Hardware auch Anwendung in verschiedenen Projekten.
description: This work investigates the possibility of describing a hardware design independent of special hardware. This is realized with the concept of an operating system. The re-use of operating system modules reduces the time of development and also increases the reliability. Additionally, the change of a development platform has no influence on the application algorithm anymore. In order to apply the concept of an operating system special constraints have to be fulfilled by the hardware description language, which is not supported by VHDL. For that reason a structure compiler has been developed. The structure compiler connects the application program with the operating system modules and produces a VHDL program, which can be used to simulate or to program the FPGA with the typical VHDL development tools. In the progress of developing the operating system concept for reconfigurable hardware it was realized that such a concept can only be used in connection with a design methodology for heterogeneous systems. In this work a design methodology based on a declarative language represented as signal flow graph is discussed. The operating system concept for reconfigurable hardware was tested on different FPGA boards. For these cards an operating system was developed. The operating system contains modules for the communication with the PC over different interfaces as well as modules for accessing different exterior peripheries, i.e. memory. Additionally, the integration of processors as part of the configurable hardware within the operating system concept was investigated. For the verification of the structure compiler and the operating system modules some examples have been developed. The operating system concept for configurable hardware was also applied in different projects.