Speciale. Evaluering af Java til udvikling af indlejrede realtidssystemer ved brug af en eksisterende Java Optimized Processor (JOP)

Transkript

1 Speciale Evaluering af Java til udvikling af indlejrede realtidssystemer ved brug af en eksisterende Java Optimized Processor (JOP) Speciale efterår 2005 Teknisk Informationsteknologi Jan Lauritzen & Mads Pedersen Agenda Introduktion Specialet generelt FPGA VHDL JOP Hvad er JOP? SW/HW co-design Java-eksempel JOP i praksis Slide 2 af 20 1

2 Speciale generelt Forskningsorienteret Ikke produktorienteret (som afgangsprojekt) Slide 3 af 20 Introduktion til specialet Øget brug af programmeringssproget Java Krav til high-level reliable language til indlejret software: Objektorientering Kode-genbrug Frameworks Flere eksisterende løsninger (dedikeret Java processor, der udfører Java byte code - ajile). En anden (nyere) løsning: Implementeret i FPGA FPGA = Field Programmable Gate Array FPGA er en standard platform ( extensible og billig) for mange designs i industrien Java Optimized Processor (JOP), Ph.D.-projekt fra Technischen Universität Wien (Østrig) af Martin Schoeberl Slide 4 af 20 2

3 Fokus Evaluering af JOP: Undersøgelse af FPGA-løsningen (SW/HW co-design mv.) Evaluering af realtidsaspekter i forhold til Real-Time Specification for Java (SJ). Både som teoretiske undersøgelser såvel som praktiske eksperimenter Kan man lave forudsigelig eksekvering af Java-kode? Evaluering af JOP s performance, sammenlignet med andre former for Java-udførsel: Eksekveret i en virtuel maskine (som standard Java) Eksekveret af en dedikeret Java-processor Eksekveret i FPGA (som JOP) Slide 5 af 20 FPGA - VHDL FPGA = Field Programmable Gate Array FPGA programmeres i programmeringssproget VHDL VHDL = VHSIC Hardware Description Language VHSIC = Very High Speed Integrated Circuits Vi har haft et crash course i VHDL i den seneste tid. Slide 6 af 20 3

4 FPGA-basics CLB: Configurable Logic Block - indeholder logikken IOB: Input/Output Block - interface til omverdenen Block RAM: Random Access Memory - FPGA en hukommelse Multiplier: 18 x 18 bit hardware multipliers Slide 7 af 20 VHDL-eksempel library IEEE; use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; entity counter_simple is port ( CLK, UP, RESET, CE : in std_logic; -- CE: Count Enable COU_OUT : out std_logic_vector(3 downto 0)); end counter_simple; architecture Behavioral of counter_simple is signal COU: std_logic_vector(3 downto 0); begin -- Internt tælle-signal process (CLK, RESET) begin if RESET='1' then -- Asynkront reset COU <= "0000"; elsif CLK'event and CLK='1' then if CE='1' then if UP='1' then COU <= COU + 1; -- Valg af op-/nedtælling else COU <= COU - 1; end if; else COU <= COU; end if; end if; end process; COU_OUT <= COU; -- Internt signal forbindes til udgangene end Behavioral; Slide 8 af 20 4

5 Hvad er JOP? Hardware-implementation af en JVM Målrettet mindre indlejrede systemer med realtidskrav JOP er implementeret som en soft core i en FPGA. Ubrugte FPGA-ressourcer kan bruges til perifere enheder. Slide 9 af 20 JOP s main features Small core that fits in a low cost FPGA Configurable resource usage through HW/SW co-design Predictable execution time of Java bytecodes Fast execution of Java bytecodes without JIT-Compiler Flexibility for embedded systems through FPGA implementation Slide 10 af 20 5

6 JOP-hardware FPGA: Altera Cyclone FPGA Board I/O-board: Baseio Expansion Board Slide 11 af 20 Data path Slide 12 af 20 6

7 Muligheder med JOP i FPGA SW/HW co-design Udføre udvalgte operationer direkte i hardware (implementeres i VHDL) og kaldes fra Java. Spændende mulighed, som skal undersøges nærmere Slide 13 af 20 SW/HW co-design Eksempel med 32-bit multiplikation i hhv.: Java (software) Micro code (JOP s eget instruction set) VHDL (hardware) Slide 14 af 20 7

8 J på JOP Slide 15 af 20 Programmering af JOP Faser Initialization phase Ikke-tidskritiske operationer, som oprettelse af realtidstråde og allokering af objekter Mission phase Startes ved startmission() Realtidstråde skeduleres, udførsel af tidskritiske operationer Restrictions: Slide 16 af 20 8

9 Realtidstråde Slide 17 af 20 Andre informationer Skedulering Garbage Collection Forudsigelighed Slide 18 af 20 9

10 JOP Java-eksempel import joprt.rtthread; import joprt.swevent; import util.dbg; public class Event public final static int CNT = 10; static SwEvent sev; public static void main(string[] args) Dbg.initSer(); // use serial line for debug output sev = new SwEvent(2, 10000) public void handle() Dbg.wr("fire!"); ; RtThread rt = new RtThread(1, ) public void run() for (int i=0; i<cnt; ++i) waitfornextperiod(); Dbg.wr("\nbefore"); sev.fire(); Dbg.wr("after"); ; for (;;) waitfornextperiod(); RtThread.startMission(); for (;;) ; // busy do nothing Slide 19 af 20 JOP in action! Slide 20 af 20 10