Dynamically Reconfigurable Coprocessors
in FPGA-based Embedded Systems
Las nuevas características de los dispositivos FPGA actuales y su gran capacidad permiten el diseño de sistemas digitales complejos. Estos sistemas pueden incluir diseños específicos para una determinada tarea, y uno o varios microprocesadores, los cuales pueden estar implementados en la propia lógica reconfigurable o insertados como cores hardware. Sin embargo, la característica más interesante de las FPGAs y que les ha proporcionado actualmente su éxito en el marco de la investigación, es su capacidad de cambiar el diseño que internamente se les ha configurado. Es más, algunos dispositivos FPGA permiten cambiar solamente una parte de su configuración sin que este cambio afecte al funcionamiento del resto del diseño. Es lo que se conoce como Reconfiguración Parcial Dinámica. Esta nueva capacidad permite a los sistemas digitales resolver una de las mayores desventajas de los diseños hardware: la falta de flexibilidad. La reconfiguración parcial permite cambiar la funcionalidad del hardware del mismo modo que un microprocesador puede ejecutar varias tareas software, haciendo posible que partes del diseño puedan ser modificadas en tiempo de ejecución cuando la aplicación lo requiera.
El objetivo de este trabajo es el estudio de la reconfiguración parcial de los dispositivos FPGA y las diferentes metodologías y herramientas, algunas empleadas en trabajos de investigación previos y otras desarrolladas en estas tesis, que permiten realizar sistemas parcialmente reconfigurables. Como caso de estudio se propone el diseño de algoritmos de cifrado en hardware y la implementación de sistemas criptográficos. A los largo de esta tesis, la reconfiguración parcial se ha empleado en el diseño de coprocesadores de alto rendimiento, y para el desarrollo de sistemas embebidos en FPGA con coprocesadores dinámicamente reconfigurables. En primer lugar, un diseño del algoritmo IDEA fue optimizado, en rendimiento y recursos lógicos empleados, mediante el uso de multiplicadores por constante reconfigurables. En segundo lugar, se desarrolló un sistema basado en un procesador embebido cuya principal característica es su capacidad de auto-reconfiguración. El procesador puede reconfigurar la FPGA donde se encuentra implementado para cambiar el coprocesador cuando es necesario. Estas dos soluciones son complementarias: la primera emplea la reconfiguración para optimizar el rendimiento, y la segunda, para incrementar la flexibilidad del sistema permitiendo añadir nuevo hardware.
Como trabajo final, esta tesis muestra la ejecución de una aplicación estándar de seguridad sobre un sistema auto-reconfigurable: la aplicación SSH (Secure Shell) sobre el sistema operativo uClinux. Esta implementación en un dispositivo FPGA comercial de bajo coste demuestra el potencial y viabilidad de la reconfiguración parcial.
Iván González Martínez es Ingeniero Informático por la Universidad Autónoma de Madrid en 2000. Desde 2002 trabaja como profesor ayudante de la Escuela Politécnica Superior en el área de Arquitectura de Computadores. De 1999 a 2002 ha trabajado en diferentes proyectos de investigación, incluyendo 8 meses en IBM en el marco del convenio entre la UAM e IBM tras la creación del Centro de Referencia Linux. Recientemente ha realizado una estancia pre-doctoral en el LSL (Logic Systems Laboratory) del Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) con objetivo de finalizar la tesis. Sus principales campos de investigación incluyen: FPGAs, Reconfiguración Parcial, Codiseño, Internet Reconfigurable Logic, Criptografía y Robótica.