Autonomic Management of Reconfigurable Embedded Systems using Discrete Control : Application to FPGA

This paper targets the autonomic management of dynamically partially reconfigurable hardware architectures based on FPGAs. Such hardware-level autonomic computing has been less often studied than at software-level. We consider control techniques to model the considered behaviours of the computing system and derive a controller for the control objective enforcement. Discrete Control modelled with Labelled Transition Systems is employed in this paper. Such models are amenable to Discrete Controller Synthesis algorithms that can automatically generate a controller enforcing the correct behaviours of a controlled system. A general modelling framework is proposed for the control of FPGA based computing systems. We consider system application described as task graphs and FPGA as a set of reconfigurable areas that can be dynamically partially reconfigured to execute tasks. We encode the computation of an autonomic manager as a DCS problem w.r.t. multiple constraints and objectives e.g., mutual exclusion of resource uses, power cost minimization. We validate our models and manager computations by using the BZR language and an experimental demonstrator implemented on a Xilinx FPGA platform. Key-words: Hardware Architectures, Dynamically Partially Reconfigurable FPGA, Discrete Control ha l-0 08 24 22 5, v er si on 3 11 O ct 2 01 3 Gestion Autonomique des Systèmes Embarqués Reconfigurables utilisant le Contrôle Discret : Application aux FPGA Résumé : Nous traitons de la gestion autonomique des architectures matérielles dynamiquement et partiellement reconfigurables à base de FPGAs. Cette forme d’informatique autonomique au niveau matériel a été peu étudiée comparé au niveau logiciel. Nous considérons des techniques de contrôle pour modéliser les comportements du système de calcul et pour dériver un contrôleur pour le maintien de l’objectif de contrôle. Nous utilisons des techniques de contrôle discret modélisé avec des systèmes de transitions étiquetées. Ces modèles se prêtent à une algorithmique de synthèse de contrôleurs discrets (SCD) qui peut générer automatiquement un contrôleur qui force les comportements corrects d’un système contrôlé. Un cadre général de modélisation est proposé pour le contrôle des systèmes informatiques à base de FPGA. Nous considérons que l’application est décrite par un graphe de tâches, et le FPGA comme un ensemble de zones reconfigurables, qui peuvent être dynamiquement et partiellement reconfigurées pour exécuter des tâches. Nous formulons le calcul d’un gestionnaire autonomique comme un problème de SCD concernant des contraintes et objectifs multiples, par exemple, l’exclusion mutuelle de l’utilisation des ressources, la minimisation du coût en énergie. Nous validons nos modèles et les calculs du gestionnaire en utilisant le langage BZR et un démonstrateur expérimental mis en œuvre sur une plate-forme FPGA Xilinx. Mots-clés : Architectures matérielles, FPGA reconfigurable dynamiquement et partiellement, contrôle discret ha l-0 08 24 22 5, v er si on 3 11 O ct 2 01 3 Autonomic Management of FPGA Embedded Systems using Discrete Control 3