Hardware Control of partially reconfigurable FPGA-systems: from modeling to implementation
Contrôle matériel des systèmes partiellement reconfigurables sur FPGA : de la modélisation à l'implémentation
Résumé
This work proposes a control design methodology for FPGA-based reconfigurable systems aiming at increasing control design productivity and guaranteeing implementation efficiency. This methodology is based on a semi-distributed control model composed of a set of modular distributed controllers executing each observation, decision-making and reconfiguration tasks for a reconfigurable region of the system, and a coordinator between the distributed controllers decisions in order to respect global systems constraints and objectives. This semi-distributed decision-making is based on the mode-automata formalism. The proposed combination between modularity, control splitting and formalism-based design allows to enhance the flexibility, reusability and scalability of the control design. Another point that can be added to this combination, to enhance design productivity, is design automation. For this, the proposed methodology is based on Model-Driven Engineering approach allowing to automate code generation from high-level models. This approach makes use of the UML MARTE (Modeling and Analysis of Real-Time and Embedded Systems) standard profile, allowing to make low-level technical details transparent to designers and to automate the VHDL code generation for hardware implementation of the modeled control systems in order to guarantee their performance. The generated control systems were validated using simulation. Synthesis results showed an acceptable time and resource overhead for systems having different numbers of controllers. A control system composed of four controllers and a coordinator was also validated through physical implementation in an FPGA system for an image processing application.
Ce travail propose une méthodologie de conception du contrôle pour les systèmes reconfigurables sur FPGA, visant à améliorer la productivité des concepteurs et assurer l'efficacité de l'implémentation. Cette méthodologie est basée sur un modèle de contrôle semi-distribué qui se compose d'un ensemble de contrôleurs distribués modulaires assurant chacun les tâches d'observation, de prise de décision et de reconfiguration pour une région reconfigurable du système, et d'un coordinateur entre les décisions des contrôleurs distribués afin de respecter les contraintes et objectifs globaux du système. Cette prise de décision semi-distribuée est basée sur le formalisme des automates de modes. Cette combinaison entre modularité, division du contrôle et formalisme permet d'améliorer la flexibilité, réutilisabilité et scalabilité de la conception du contrôle. Un autre point peut être ajouté à cette combinaison pour améliorer la productivité des concepteurs, qui est l'automatisation. Pour cela, la méthodologie proposée est basée sur une approche d'Ingénierie Dirigée par les Modèles permettant d'automatiser la génération du code à partir de modèles de haut-niveau d'abstraction. Cette approche fait usage du profil standard MARTE (Modeling and Analysis of Real-Time and Embedded Systems), permettant de rendre les détails techniques de bas niveau transparents aux concepteurs et d'automatiser la génération du code VHDL pour une implémentation matérielle des systèmes de contrôle modélisés afin d'assurer leur performance. Les systèmes de contrôle générés ont été validés par simulation. Les résultats de synthèse ont montré un coût acceptable en termes de temps d'exécution et de ressources pour des systèmes ayant différents nombres de contrôleurs. Un système de contrôle composé de quatre contrôleurs et d'un coordinateur a été également validé par implémentation physique dans un système FPGA pour une application de traitement d'images.
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