HAL-ASOS - hardware assisted Linux for application specific operating system

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Main Author: Silva, Vítor Alberto Teixeira
Publication Date: 2022
Language: eng
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
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Summary: Programa doutoral em Engenharia Eletrónica e de Computadores (PDEEC) (especialidade de Informática Industrial e Sistemas Embebidos)
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spelling HAL-ASOS - hardware assisted Linux for application specific operating systemHAL-ASOS - Linux com aceleração em hardware para sistemas operativos dedicados à aplicaçãoFPGALinuxElasticidade evolutivaMicrocódigoAceleração em hardwareEvolutive elasticityMicrocodeHardware accelerationEngenharia e Tecnologia::Engenharia Eletrotécnica, Eletrónica e InformáticaPrograma doutoral em Engenharia Eletrónica e de Computadores (PDEEC) (especialidade de Informática Industrial e Sistemas Embebidos)O ecossistema de sistemas embebidos de hoje tornou-se enorme, cobrindo vários e diferentes sistemas, exigindo desempenho e mobilidade completa enquanto atingem autonomias de bateria cada vez maiores. Mas a crescente frequência de relógio que resultou em dispositivos cada vez mais rápidos começou a estagnar antes dos transístores pararem de encolher. Plataformas Field Programmable Gate Array (FPGA) são uma solução alternativa para a implementação de sistemas completos e reconfiguráveis. Fornecem desempenho e eficiência computacional para satisfazer requisitos da aplicação e do sistema embebido. Vários Sistemas Operativos (SO) assistidos por FPGA foram propostos, mas ao estreitar seu foco na síntese do datapath do acelerador de hardware, a grande maioria ignora a integração semântica destes no SO. Ambientes de síntese de alto nível (HLS) elevaram a abstração além da linguagem de transferência de registo (RTL), seguindo uma abordagem específica de domínio enquanto misturam software e abstrações de hardware ad hoc, que dificultam as otimizações. Além disso, os modelos de programação para software e hardware reconfigurável carecem de semelhanças, o que com o tempo dificultará a Exploração do Ambiente de Design (DSE) e diminuirá o potencial de reutilização de código. Para responder a estas necessidades, propomos HAL-ASOS, uma ferramenta para implementar sistemas embebidos baseados em Linux que fornece (1) elasticidade no design em conformidade com a natureza evolutiva deste SO, (2) integração semântica profunda de tarefas de hardware nos modelos de programação do Linux, (3) facilidade na gestão de complexidade através de metodologia e ferramentas para apoiar o design, verificação e implementação, (4) orientada por princípios de design híbridos e eficiência no sistema. Para avaliar as funcionalidades da ferramenta, foi implementado um aplicativo criptográfico que demonstra alcance de desempenho enquanto se emprega a metodologia de design. Novos níveis de desempenho são atingidos numa aplicação de Visão por Computador que explora recursos de programação assíncrona-síncrona. Os resultados demonstram uma abordagem flexível na reconfiguração entre hardware e software, e desempenho que aumenta consistentemente com acréscimo de recursos ou frequência de relógio.Today’s embedded systems ecosystem became huge while covering several and different computer-based systems, demanding for performance and complete mobility while experiencing longer battery lives. But the rampant frequency that resulted in faster devices began hitting a wall even before transistors stopped shrinking. Field Programmable Gate Array (FPGA) platforms are an alternative solution towards implementing complete reconfigurable systems. They provide computational power, efficiency, in a lightweight solution to serve the application requirements and increase performance in the overall system. Several FPGA-assisted Operating Systems (OS) have been proposed, but by narrowing their focus on datapath synthesis of the hardware accelerator, they completely ignore the deep semantic integration of these accelerators into the OS. State-of-the-art High-Level Synthesis (HLS) environments have raised the level of abstraction beyond Register Transfer Language (RTL) by following a domain-specific approach while mixing ad hoc software and hardware abstractions, making harder for performance optimizations. Furthermore, the programming models for software and reconfigurable hardware lack commonalities, which in time will hinder the Design Space Exploration (DSE) and lower the potential for code reuse. To overcome these issues, we propose HAL-ASOS, a framework to implement Linux-based Embedded systems which provides (1) elasticity by design to comply with the evolutive nature of Linux, (2) deep semantic integration of the hardware tasks in the Linux programming models, (3) easy complexity management using methodology and tools to fully support design, verification and deployment, (4) hybrid and efficiency-oriented design principles. To evaluate the framework functionalities, a cryptographic application was implemented and demonstrates performance achievements while using the promoted application-driven design methodology. To demonstrate new levels of performance that can be achieved, a Computer Vision application explores several mixed asynchronous-synchronous programming features. Experiments demonstrate a flexible design approach in terms of hardware and software reconfiguration, and significant performance that increases consistently with the rising in processing resources or clock frequencies.Financial support received from Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT) with the PhD grant SFRH/BD/82732/2011.Tavares, AdrianoAfonso, Francisco CarlosUniversidade do MinhoSilva, Vítor Alberto Teixeira2022-06-142022-06-14T00:00:00Zdoctoral thesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/78442eng101430043info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2024-05-11T05:32:59Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/78442Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-28T15:22:06.194548Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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