Publicação
Desenvolvimento de um inovador microkernel por hardware para microcontroladores focando nas aplicações de sistemas baseados em tarefas
| Resumo: | Nesse projeto de pesquisa de doutorado foi desenvolvida uma inovadora abordagem de hardware, com objetivo de aumentar o desempenho dos sistemas baseados em tarefas, que se utilizam de microcontroladores com um único núcleo. Para isso um microkernel foi desenvolvido em hardware e precisamente interconectado à CPU e à memória de dados de um microcontrolador Plasma. Seu papel é operar paralelamente à CPU, realizando por hardware o escalonamento e o despacho de tarefas. Essa abordagem tende a minimizar o tempo gasto para trocas das tarefas que devem ser executadas pela CPU. Além disso, a arquitetura desenvolvida não impacta na forma como as instruções são executadas e adiciona apenas um único banco de registradores ao hardware da CPU. Sendo assim, ela é adequada tanto para a aplicação em dispositivos de hardware programável, como também para a implementação de circuitos integrados dedicados (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC). Os resultados experimentais obtidos, quando o dispositivo proposto foi sintetizado em um Field Program Gate Array (FPGA), mostram que é possível realizar trocas de tarefas em até 2 ciclos de clock, que representa uma redução em até 99% do tempo médio gasto em relação aos sistemas convencionais, no qual o microkernel é desenvolvido por software. Além disso, o desempenho do microcontrolador modificado se mantém estável mesmo quando o tempo entre trocas de tarefas é menor que 100 µs, considerando uma frequência de clock de 25 MHz, ao passo que, na abordagem por software, o desempenho em processamento é degradado em até 79% em relação ao máximo observado quando a troca de tarefas ocorre em períodos superiores a 10 ms. Do ponto de vista energético, o microkernel por hardware proposto foi analisado a partir do leiaute gerado automaticamente utilizando-se as ferramentas da CADENCE para fabricação de um ASIC, e os resultados mostram que ele consome apenas 7% da potência elétrica dinâmica do microcontrolador. Além disso, os resultados obtidos por esse projeto de pesquisa fortalecem a ideia que essa abordagem inovadora possibilita aplicações que demandam tempos curtos entre trocas de tarefas, tais como aqueles que demandam intenso processamento de entradas e saídas (comunicação serial de dados, controle de motores e codificação/decodificação de áudio) e aplicações de alta tecnologia (clusters de máquinas virtuais em plataformas de nuvem). |
|---|---|
| Autores principais: | Dantas, L. P. |
| Assunto: | Microcontroladores Microkernel por hardware Sistemas baseados em tarefas |
| Ano: | 2019 |
| País: | Brasil |
| Tipo de documento: | tese de doutoramento |
| Tipo de acesso: | acesso aberto |
| Instituição associada: | IBICT |
| Idioma: | português |
| Origem: | Oasisbr |
| Resumo: | Nesse projeto de pesquisa de doutorado foi desenvolvida uma inovadora abordagem de hardware, com objetivo de aumentar o desempenho dos sistemas baseados em tarefas, que se utilizam de microcontroladores com um único núcleo. Para isso um microkernel foi desenvolvido em hardware e precisamente interconectado à CPU e à memória de dados de um microcontrolador Plasma. Seu papel é operar paralelamente à CPU, realizando por hardware o escalonamento e o despacho de tarefas. Essa abordagem tende a minimizar o tempo gasto para trocas das tarefas que devem ser executadas pela CPU. Além disso, a arquitetura desenvolvida não impacta na forma como as instruções são executadas e adiciona apenas um único banco de registradores ao hardware da CPU. Sendo assim, ela é adequada tanto para a aplicação em dispositivos de hardware programável, como também para a implementação de circuitos integrados dedicados (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC). Os resultados experimentais obtidos, quando o dispositivo proposto foi sintetizado em um Field Program Gate Array (FPGA), mostram que é possível realizar trocas de tarefas em até 2 ciclos de clock, que representa uma redução em até 99% do tempo médio gasto em relação aos sistemas convencionais, no qual o microkernel é desenvolvido por software. Além disso, o desempenho do microcontrolador modificado se mantém estável mesmo quando o tempo entre trocas de tarefas é menor que 100 µs, considerando uma frequência de clock de 25 MHz, ao passo que, na abordagem por software, o desempenho em processamento é degradado em até 79% em relação ao máximo observado quando a troca de tarefas ocorre em períodos superiores a 10 ms. Do ponto de vista energético, o microkernel por hardware proposto foi analisado a partir do leiaute gerado automaticamente utilizando-se as ferramentas da CADENCE para fabricação de um ASIC, e os resultados mostram que ele consome apenas 7% da potência elétrica dinâmica do microcontrolador. Além disso, os resultados obtidos por esse projeto de pesquisa fortalecem a ideia que essa abordagem inovadora possibilita aplicações que demandam tempos curtos entre trocas de tarefas, tais como aqueles que demandam intenso processamento de entradas e saídas (comunicação serial de dados, controle de motores e codificação/decodificação de áudio) e aplicações de alta tecnologia (clusters de máquinas virtuais em plataformas de nuvem). |
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