Aportaciones al diseño de unidades de procesamiento de datos para aplicaciones espaciales mediante el empleo FPGAs
- Autores: David Guzmán García
- Directores de la Tesis: Manuel Prieto Mateo (dir. tes.), Óscar Rodríguez Polo (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2012
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Daniel Meziat Luna (presid.), Sebastián Sánchez Prieto (secret.), Ramón Puigjaner Trepat (voc.), Fernando Aguado Agelet (voc.), Segundo Esteban San Román (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
- español
La presente memoria de tesis describe la investigación realizada en el ámbito de las unidades de procesamiento de datos para aplicaciones espaciales. Típicamente estas unidades están basadas en un microprocesador. Los procesadores modernos incluyen características como pipelines, caches y predictores de saltos que resultan en destacables mejoras del rendimiento. Sin embargo estas nuevas características introducen un alto grado de indeterminismo en el comportamiento de los programas que ejecutan. En el ámbito aeroespacial este hecho toma vital importancia dado que estas unidades están diseñadas para ejecutar sistemas de tiempo real, con una gran criticidad en sus tareas, y sujetos a exhaustivos procesos de análisis previos a su aceptación.
El objetivo principal de esta tesis ha sido aportar una serie de mejoras sobre la arquitectura de la familia de microprocesadores LEON, que es la plataforma recomendada por la Agencia Espacial Europea como unidad de procesamiento de datos para sistemas embarcados. Estas mejoras están destinadas a incrementar el determinismo en la ejecución de sistemas, así como dotar de una capacidad de observación que facilite el análisis de las propiedades extra funcionales de los sistemas ejecutados, como son su tiempo de ejecución en el peor caso, su tasa de fallos de caché o su cobertura. En este sentido el trabajo de investigación introduce en el microprocesador de un nuevo módulo encargado de extraer información de análisis en modo no intrusivo, evitando las interferencias de otras soluciones basadas en la instrumentación del código. Esta información incluye las tasas de acierto y fallos de las memorias caches, el número de instrucciones ejecutadas, los ciclos de reloj necesarios para completar las mismas, el número de instrucciones de salto realizadas y una traza del programa basada en las instrucciones de salto ejecutadas. La segunda de las aportaciones, destinada a incrementar el determinismo de la arquitectura, incorpora un mecanismo que evita el jitter en el cambio de contexto de una tarea y en la latencia correspondiente a la atención a interrupciones, además de reducir significativamente el tiempo empleado en ambos mecanismos. Un aspecto fundamental de esta mejora es el hecho de que se pueda utilizar sin necesidad de modificar el compilador ya que respeta el actual conjunto de instrucciones de la familia, y sólo requiere la adaptación del sistema operativo de tiempo real.
Como soporte al trabajo realizado se ha empleado la tecnología FPGA. En los últimos años esta tecnología han ido ganado popularidad en las aplicaciones espaciales, debido principal- mente a que aportan una reducción significativa en los costes de desarrollo frente a la tecnología ASIC, tanto en términos económicos como temporales. Gracias a las FPGAs, el diseñador de sistemas dispone de una plataforma donde integrar, en un sólo circuito, un sistema digital complejo, reduciendo el consumo y número de componentes empleados. Además, dada su versatilidad, se tiene la posibilidad de modificar y mejorar los componentes que se integran en el diseño, adaptándolos a un escenario específico, y proporcionando así soluciones "ad-hoc".
Las aportaciones de este trabajo de investigación se han reflejado en la propuesta de diseño de una unidad de procesamiento de datos embarcable, basada en el empleo de FPGAs y en microprocesadores de la familia LEON como elementos principales.
- English
This work describes the research done in the field of data processing units for space applications. Typically, these units are based on a microprocessor. Modern processors include features such as pipelines, caches, and branch predictors that result in notable performance improvements. However, these enhancing features introduce a high level of unpredictability and uncertainty into the workload behavior. In space applications, this fact takes on vital importance because these elements are designed to perform real time systems with critical tasks and subject to exhaustive analysis process prior to its acceptance.
The main objective of this thesis has been to provide a number of improvements to the architecture of the LEON microprocessors family, which is the European Space Agency’s recommended platform for onboard data processing units. These improvements are focused to ameliorate the determinism of the system execution, thus to provide an observation capability in order to aid the extra-functional properties analysis of the system executed, worst case execution time, cache hit rate and coverage. In this mode the research work includes the introduction of a new module in the microprocessor in charge of collecting analysis information in non-intrusive mode, avoiding the interferences produced by other solutions which employ code instrumentation. Information includes data and instruction hit rates, number of performed instructions performed, clock cycles needed for their execution, branch instructions executed and a trace of the program execution based on the taken branch instructions. The second contribution is focused to increase the architecture determinism, includes a mechanism to avoid the jitter in task context switch and the latency due to interruptions, moreover reduces significatly the time needed in both mechanisms. A key aspect of this improvement is the fact that it can be used without modifying the compiler because it complies with the current set of instructions for the family, and only requires the adaptation of the real-time operating system.
FPGA technology has been employed to support the research work. Nowadays, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) have been gaining popularity in space applications. Application Specific Integrated Circuit (ASIC) development costs in both economic and temporal terms have required new solutions, and it is at this point that FPGAs arise. Through FPGAs designers own a platform where is possible to integrate a complex digital system in only one chip, conserving power consumption, and reducing the number of components that are employed. Also, due to its versatility, it can modify and improve the components integrated in it, adapting designs to a specific scenario providing “ad-hoc“ solutions.
The contributions made by this research work are found in the data processing unit design proposal, based on FPGAs and the LEON microprocessor as the main elements.
- español
