Dynamisch rekonfigurierbare Systeme für generische funkbasierte Sensornetzwerke
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die im Antrag formulierten Projektziele konnten vollständig erreicht werden. Die wichtigsten Forschungsergebnisse und Erkenntnisse aus diesem Projekt lassen sich wie folgt zusammenfassen: • Durch den Einsatz anwendungsspezifischer, dynamisch rekonfigurierbarer Architekturen kann die Energieeffizienz der Datenverarbeitung in drahtlosen Sensorknoten um ein bis zwei Größenordnung gesteigert werden gegenüber konventionellen, rein prozessorbasierten Sensorknotenarchitekturen (die gegenwärtig Stand der Technik sind). Dies konnte durch einen direkten Vergleich einer dynamisch rekonfigurierbaren Architektur und einer nicht-rekonfigurierbaren Prozessorarchitektur anhand von detaillierten Analyseergebnissen gezeigt werden. • Für die RFU wurde ein neuartiges Rekonfigurationsverfahren entworfen, mit dessen Hilfe schnelle dynamische Rekonfiguration effizient realisiert werden kann. Auf einer ersten Stufe können die vollständigen Konfigurationsdaten für einen Rechenschritt auf der RFU (entspricht einem Takt) ohne Verzögerung aus einer Tabellenstruktur ausgewählt werden - wenn nötig in jedem Takt neu. Auf einer zweiten Stufe können die Tabellen innerhalb weniger Mikrosekunden selbst rekonfiguriert werden, um die Berechnung neuer Funktionen/Algorithmen vorzubereiten. Das Rekonfigurationsverfahren ermöglicht damit deutlich kürzere Rekonfigurationszeiten und höhere Rekonfigurationshäufigkeit als herkömmliche Verfahren. Hauptnutzen dieser schnellen dynamischen Rekonfiguration ist die optimale Wiederverwendung von Hardwareressourcen. Das Verfahren ist universell anwendbar und aufgrund seiner hervorragenden Skalierbarkeit leicht auf andere rekonfigurierbare Architekturen übertragbar. Somit ist eine Nutzen über das Projekt hinaus leicht möglich. Die individuelle Anpassungsfähigkeit einzelner Komponenten der Tabellenstruktur ermöglicht sogar den Einsatz des Verfahrens für sehr heterogene Architekturen, was bei anderen Verfahren oft nur unzureichend möglich ist. • Eine wichtige Frage beim häufigen Einsatz von dynamischer Rekonfiguration sind die dadurch entstehenden Kosten - und ob diese kritische Werte annehmen. Durch unsere Untersuchungsergebnisse konnte jedoch eindeutig belegt werden, dass selbst in einem Worst-Case-Szenario die durch dynamische Rekonfiguration verursachten Energiekosten und Latenzzeiten keinen kritischen Einfluss auf den Energieverbrauch und die Performance des Gesamtsystem haben. Ebenso ist der Flächenverbrauch durch die Konfigurationstabellen nicht entscheidend für die Gesamtgröße eines Sensorknoten-Chips. • Für das Testen rekonfigurierbarer Sensorknotenarchitekturen unter realen Bedingungen wurde eine neue Prototyping-Methodik entwickelt. Sie kombiniert den Entwurf einer sehr flexibel einsetzbaren, FPGA-basierten Prototypplattform mit dem Konzept sog. Deployment Support Networks. Als Ergebnis ergeben sich dadurch hervorragende Möglichkeiten für das Testen und Debuggen kompletter Sensornetzwerke in Echtzeit. Diese Prototyping-Methodik kann auch leicht verallgemeinert und für andere Arten von Funknetzen eingesetzt werden. Insgesamt wurden 16 Prototypplattformen und 10 Basisboards gefertigt, mit denen die Funktionsweise der entworfenen rekonfigurierbaren Sensorknotenarchitektur erfolgreich unter realen Bedingungen getestet wurde. Durch die erzielten Projektergebnisse und die gewonnen Daten konnte deutlich gezeigt werden, welch hohes Potential dynamisch rekonfigurierbare Architekturen für die Realisierung zukünftiger Sensorknoten bieten: Sie ermöglichen eine Verbesserung der Energieeffizienz um ein bis zwei Größenordnungen, ohne jedoch die Flexibilität einzuschränken. Damit können dynamisch rekonfigurierbare Architekturen maßgeblich dazu beitragen, das derzeit bestehende enorme Energieproblem von Sensorknoten zu lösen. Für die weitverbreitete industrielle Anwendung rekonfigurierbarer Sensorknotenarchitekturen sind jedoch noch einige Probleme zu überwinden: Insbesondere sind hier der hohe Entwicklungsaufwand und der Bedarf an geeigneter Tool-Unterstützung zur Programmierung solcher Systeme zu nennen. Weitere Forschungsarbeit ist nötig, um den Entwicklungsaufwand durch verbesserte Entwurfsmethodiken und Werkzeuge zur (mindestens teilweisen) Entwurfsautomatisierung zu verringern und um die Programmierung durch entsprechende Programmierwerkzeuge und -modelle zu erleichtern. Die von uns vorgeschlagene RFU-Struktur und das neue Rekonfigurations verfahre n können hierzu als geeignete Architekturvorlage dienen und stellen daher sehr gute Ansatzpunkte für die weiterführende Entwicklung von Werkzeugen und Entwurfsmethodiken für anwendungsspezifische rekonfigurierbare Systeme dar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„A Concept for a Profile-based Dynamic Reconfiguration Mechanism". In: 2nd Int. Workshop on Reconfigurable Communication-centric SoCs (ReCoSoC'06), July 2006, Montpellier, France
H. Hinkelmann, P. Zipf, M. Glesner
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„A metric for the energy-efficiency of dynamically reconfigurable systems". In: 19th Int. Conf. on Architecture of Computing Systems (ARCS'06), Workshop Proceedings, March 2006, Frankfurt am Main, Germany, pp. 152-161
H. Hinkelmann, P. Zipf, M. Glesner
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„Design Concepts for a Dynamically Reconfigurable Wireless Sensor Node". In: Proc. 1st NASA/ESA Conference on Adaptive Hardware and Systems (AHS-2006), June 2006, Istanbul, Turkey, pp. 436-441
H. Hinkelmann, P. Zipf, M. Glesner
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„Exploring Funtional Unit Parallelism in Reconfigurable Computing Platforms". In: 2nd Int. Workshop on Reconfigurable Communication-centric SoCs (ReCoSoC'06), July 2006, Montpellier, France
H. Zhong, L. Scares Indrusiak, H. Hinkelmann, M. Glesner
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„Multitasking Support for Dynamically Reconfigurable Systems". In: Proc. 16th Int. Conf. on Field Programmable Logic and Applications (FPL'06), August 2006, Madrid, Spain, 219-224
H. Hinkelmann, A. Gunberg, P. Zipf, L. Soares Indrusiak, M. Glesner
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„A Domain-Specific Dynamically Reconfigurable Hardware Platform for Wireless Sensor Networks". In: Proc. Int. Conf. on Field-Programmable Technology (ICFPT), Dezember 2007, Kitakyushu, Japan, pp. 313-316
H. Hinkelmann, P. Zipf, M. Glesner
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„A general model for common hardware reconfiguration techniques and their optimization". In: Proc. 3rd Southern Confonference on Programmable Logic, Designer Forum, Februar 2007, Mar del Plata, Argentinien, pp. 43-36
H. Hinkelmann, K. Groneberg, M. Glesner
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„A Power Estimation Model for an FPGA-Based Softcore Processor". In: Proc. 17th Int. Conf. on Field Programmable Logic and Applications (FPL'07), August 2007, Amsterdam, Netherlands, pp. 171-176
P. Zipf, H. Hinkelmann, L. Deng, M. Glesner, H. Blume, T. Noll
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„Dynamically Reconfigurable Computing for Wireless Communication Systems". In: it - Information Technology 49 (2007) 3, Oldenbourg Wissenschaftsverlag, 2007, pp. 174-180
H. Hinkelmann, P. Zipf, T. Pionteck, M. Glesner
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„On the Design of a Reconfigurable Multiplier for Integer and Galois Field Multiplication". In: 3rd Int. Workshop on Reconfigurable Communication-centric SoCs (ReCoSoC'07), Juni 2007, Montpellier, Frankreich
H. Hinkelmann, T. Murgan, G. Liu, P. Zipf, M. Glesner
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„A Methodology for Wireless Sensor Network Prototyping with Sophisticated Debugging Support". In: Proc. 19th IEEE/IFIP Int. Symp. on Rapid System Prototyping (RSP), Juni 2008, Monterey CA, USA
H. Hinkelmann, A. Reinhardt, M. Glesner
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„A Reconfigurable Prototyping Platform for Smart Sensor Networks". In: Proc. IV Southern Conference on Programmable Logic (SPL 2008), March 2008, Bariloche, Argentina, pp. 125-130
H. Hinkelmann, A. Reinhardt, S. Varyani, M. Glesner
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„Developing a Debugging Interface for Reconfigurable Wireless Sensor Nodes". In: Proc. 7th European Workshop on Microelectronics Education (EWME), Mai 2008, Budapest, Ungarn, pp. 46-47
A. Reinhardt, H. Hinkelmann, M. Glesner
