GEPARD: Generic Environment for Programmable Architectures on Reconfigurable Devices

Heutzutage werden rekonfigurierbare Logikbausteine, wie die sog. FPGAs, in eingebetteten Systemen für ein breites Anwendungsfeld angewandt, wie z.B. in Kommunikation, Multimedia, Sicherheit oder Messtechnik. Die Funktionalität solcher Bausteine kann nach ihrer Fertigung konfiguriert werden, wodurch der Entwickler die Möglichkeit hat, jegliche System-Architektur zu einer möglichst effizienten Implementierung hin zu modifizieren. Diese Flexibilität stellt einen enormen Vorteil gegenüber konventionellen DSPs bzw. anwendungsspezifischen Prozessorarchitekturen dar. Die Herausforderung besteht hierbei die Architekturen so zu entwerfen, dass sie von den Fähigkeiten des FPGAs profitieren können.Gute Kandidaten für FPGA-basierte eingebettete Systeme sind auf FPGA-Ressourcen abgebildete Prozessorarchitekturen (sog. soft processor cores). Auf diese Weise bleibt die Applikationsentwicklung weiterhin in der hohen Abstraktionsebene einer SW Programmiersprache, während dedizierte HW-Architekturen für die kritische Operationen verwendet werden können.Das am Institut für Mikroelektronische Systeme laufende Forschungsprojekt RAPANUI bietet eine komplette Umgebung zur Entwurfsraumexploration an, die auf einer generischen VLIW-Prozessorarchitektur basiert, genannt Moai4k2. Die vorhandene VHDL-Beschreibung ist für die ASIC-Implementierung optimiert. Indem die HW-Beschreibung auf die Fähigkeiten bestimmter FPGA-Familien angepasst wird und die Eignung spezieller Funktionseinheiten für spezifische Anwendungen untersucht wird, soll eine flexible und effiziente FPGA-Implementierung eines eingebetteten Systems hinsichtlich Fläche und Performance aufgebaut werden. In diesem Zusammenhang werden StA/BA und DpA/MA angeboten.--------------------------Nowadays, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are increasingly used in embedded system designs for a wide range of applications, including communications, multimedia, security or measurement. This kind of semiconductor devices can be reprogrammed after manufacture, giving the designer the oportunity to modify the architecture in order to fulfill specific application requirements or to achieve higher levels of performance. Therefore, this reconfiguration capability gives a considerable gain over conventional DSP or media-processors. However, the key challenge is to design optimized architectures that will profit from the FPGA capabilities. Soft processor cores, specially designed to take advantage of the FPGA capabilities, are good candidates to be included in FPGA-based embedded system designs. Therefore, the designers have the advantage of describing some parts of the application using a high-level programming language, while using dedicated hardware structures for processing the critial operations efficiently.The research project RAPANUI carried out at the Institute of Microelectronic Systems (IMS) provides a complete environment to explore and optimize a generic VLIW architecture, called Moai4k2, to match the processing performance requirements of a given application. In addition, the Moai4k2 processor can also be customized for a particular FPGA family to match the specific needs of a given application. Moreover, the optimization of the register file structure as well as the basic functional units, e.g. arithmetic unit or MAC unit, is mandatory for obtaining an efficient FPGA implementation in terms of area and maximum achievable frequency.