Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in dem optimalen Design eines Gateways für FPGAs (engl. Field Programmable Gate Arrays). Dazu werden verschiedene Realisierungsalternativen aufgezeigt und eine neue, auf kombinatorischen Algorithmen basierende Methode vorgestellt. Durch Anwendung der entwickelten Methodik wird das Problem des Hardware/Software-CoDesigns gelöst und eine optimale Gatewaystruktur für das jeweilige System erstellt. Grundlage dafür bildet ein Modell zur Gatewaysynthese auf Systemebene, welches auf einem bipartiten Graphen beruht. Eine Kombination aus evolutionärem/genetischem Algorithmus (GA) und ganzzahliger linearer Programmierung (engl. integer linear programming, ILP) optimiert diesen Graphen. Diese Algorithmenkombination ermöglicht die Bestimmung einer optimalen Gatewayarchitektur mit optimaler Hard- und Softwareverteilung. Die korrekte Anwendung des Verfahrens auf unterschiedliche Problemstellungen, Problemgrößen und Anzahl an Optimierungskriterien sowie eine Performanceanalyse der einzelnen Algorithmen und die Anwendung auf eine reale Problemstellung runden diese Dissertation ab.
Inhaltsverzeichnis
- Einleitung
- Motivation
- Schwerpunkt der Arbeit
- Gliederung der Arbeit
- Stand der Technik
- Vernetzungstopologie
- Gatewayfunktionalität
- Gatewaydesign
- Zusammenfassung und Trend
- Gateway-Systemsynthese
- FPGA-basiertes Gateway
- Softwarelösung
- Hardwarelösung
- Heterogenes Design
- Grundlagen der Entwurfsrepräsentation und Entwurfsmethodik
- Entwurfsrepräsentation
- Synthese und Analyse
- Entwurfsmethodik
- Modell zur Gateway-Systemsynthese
- Einschränkung der Abstraktionsebenen
- Entwurf auf Systemebene
- Der Gateway-Systemgraph
- Definitionen
- Gateway-Funktionsgraph
- Gateway-Architekturgraph
- Gateway-Systemgraph
- Gewichtung der Mappingkanten
- Gewichtung von Funktionsblöcken
- Gewichtung von Mikroprozessor IP-Cores
- Softwaresynthese
- Zusammenfassung
- FPGA-basiertes Gateway
- Optimales Gatewaydesign
- Definitionen
- Das Partitionierungsproblem
- Partitionierungsalgorithmen
- Mehrzieloptimierung
- Optimierung des Gateway-Systemgraphen mit GA
- EA-Struktur und Varianten
- GA zur Systemoptimierung
- Kodierung, Ablauf und Fitness
- Parameter des GAs
- Exploration des Entwurfsraums
- Programmierung
- Optimierung des Gateway-Systemgraphen mit ILP
- Das Flussmodell
- Aufstellung des Gleichungssystems
- Lösung des Gleichungssystems
- Exploration des Entwurfsraums
- Programmierung
- Kombination GA und ILP
- Performanceanalyse GA vs ILP
- Vorbereitung der Messungen
- Ergebnis und Diskussion der Messungen
- Neue Verfahren
- Abbilden des Systemverhaltens
- Multi-Level-Verfahren
- Particle Swarm Optimization (PSO)
- Zusammenfassung
- CAN to CAN automotive Gateway
- Aufgabenstellung
- Design des Systemgraphen
- Beschreiben des Systemverhaltens
- Festlegung der Architektur
- Optimierung und Exploration mittels GA
- Darstellung der Eingangsdaten
- Ausgabe und Einschränkung des Entwurfsraums
- Optimierung und Exploration mittels ILP
- Erstellen des Flussgraphen
- Aufstellen des Gleichungssystems
- Lösung des Gleichungssystems und Exploration
- Fazit
- Literaturverzeichnis
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die Dissertation befasst sich mit der Entwicklung eines optimalen Gatewaydesigns für vernetzte Systeme. Ziel ist es, eine effiziente und flexible Methode zur Synthese von Gateway-Systemen zu entwickeln, die auf der Grundlage von Genetischen Algorithmen (GA) und Ganzzahliger Linearer Programmierung (ILP) basiert. Die Arbeit untersucht die verschiedenen Aspekte des Gatewaydesigns, von der Vernetzungstopologie bis hin zur Architektur und Funktionsweise.
- Optimierung des Gatewaydesigns
- Entwicklung einer effizienten Synthesemethode
- Anwendung von GA und ILP zur Systemoptimierung
- Analyse und Vergleich der verschiedenen Optimierungsansätze
- Entwicklung eines realistischen Anwendungsbeispiels (CAN to CAN automotive Gateway)
Zusammenfassung der Kapitel
Die Einleitung stellt die Motivation und den Schwerpunkt der Arbeit vor und gibt einen Überblick über die Gliederung. Kapitel 2 beleuchtet den Stand der Technik im Bereich der Gateway-Systeme, einschließlich der Vernetzungstopologie, Gatewayfunktionalität und gängiger Designansätze. Kapitel 3 präsentiert ein Modell zur Gateway-Systemsynthese, das auf der Grundlage eines Systemgraphen basiert. Dieser Graph repräsentiert die verschiedenen Funktionsblöcke und Architekturelemente des Gateways. Die Gewichtung der Mappingkanten im Systemgraphen ermöglicht die Berücksichtigung von Performance- und Kostenfaktoren.
Kapitel 4 befasst sich mit der Optimierung des Gateway-Systemgraphen. Es werden zwei Ansätze vorgestellt: die Optimierung mit GA und die Optimierung mit ILP. Die GA-basierte Optimierung ermöglicht die Exploration eines großen Entwurfsraums, während die ILP-basierte Optimierung eine exakte Lösung des Optimierungsproblems liefert. Die Performance der beiden Ansätze wird anhand von Simulationen verglichen.
Kapitel 5 zeigt die Anwendung der entwickelten Methoden am Beispiel eines CAN to CAN automotive Gateways. Die Aufgabenstellung, das Design des Systemgraphen und die Optimierung mit GA und ILP werden detailliert beschrieben.
Schlüsselwörter
Die Schlüsselwörter und Schwerpunktthemen des Textes umfassen Gatewaydesign, Systemsynthese, Genetische Algorithmen, Ganzzahlige Lineare Programmierung, Vernetzungstopologie, Gatewayfunktionalität, FPGA-basierte Gateways, CAN-Bus, Automotive-Anwendungen. Die Arbeit untersucht die Anwendung von GA und ILP zur Optimierung des Gatewaydesigns und präsentiert ein realistisches Anwendungsbeispiel im Bereich der Automotive-Elektronik.
- Quote paper
- Wolfgang Hauer (Author), 2008, Optimales Gatewaydesign mit genetischem Algorithmus und ganzzahliger linearer Programmierung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/129310
