arquitectura asimétrica multi core con procesador de petri

453 Pages·2015·10.23 MB·Portuguese

ARQUITECTURA ASIMÉTRICA MULTI CORE
CON
PROCESADOR DE PETRI

Tesista: Orlando Micolini
Director: Ing. Armando De Giusti
Codirector: Dr. Marcelo Naiouf

Tesis presentada para obtener el grado de Doctor en Ciencias
Informáticas

Facultad de Informática
Universidad Nacional de La Plata
La Plata, República Argentina, Febrero de 2015

i
ii
Agradecimientos

A mi amor Carmen
A mi fortuna Carolina y Pablo

Por sus valiosos aportes y la confianza depositada en Armando De Giusti
mí y en este trabajo Marcelo Naiouf

Por permitirme disentir Carlos Barto

De quienes aprendo Mis alumnos
Con quienes aprendo Mis compañeros de trabajo
Por su contribución al progreso La UNLP

Al equipo del LAC que se comprometió con las RdP Carmen Centineo Alessi, Pailler Julio César,
en la enseñanza, realización de los experimentos, las Tejeda Miguel Angel, Baldoni Federico E.,
discusiones de los resultados y por su espíritu de Romano Matías H. Gallia Nicolás Alejandro,
grupo Pereyra Martin Miguel, Morales Pablo Gastón,
Ingaramo Pablo Andreas, Julián Nonino, Carlos
Renzo Pisetta, Arlettaz Emiliano, Birocco
Baudino Sergio, Martina Agustín, Maschio
Alfonso, Maria Florencia Caro, Ignacio Furey,
Sufán Eduardo Zaqui, Daniele Emiliano Nahuel,
Perret Cantoni Matías, Marcelo Cebollada, Luis
O. Ventre, Gustavo Wolfmann y Maximiliano
Eschoyez.

iii
iv
Contenido
Capítulo 1 .................................................................................................................................... 1
Motivación del Paralelismo ............................................................................................................ 1
Motivación del Trabajo .................................................................................................................. 1
Redes de Petri (RdP) ................................................................................................................ 1
Sistemas Multi-Core ................................................................................................................. 4
Sistemas Multi-Core y Multiprocesador................................................................................... 5
Porqué Procesadores Multi-Core ............................................................................................ 11
Ámbito de la Tesis ......................................................................................................................... 12
Objetivos y Aportes de la Tesis ..................................................................................................... 16
Organización de la Tesis ............................................................................................................... 17
Producción Científica Derivada de Resultados Parciales de la Tesis ............................................ 17
Capítulo 2 ................................................................................................................................... 19
Estudio de Antecedentes de Controladores con RdP ............................................................. 19
Introducción ................................................................................................................................... 19
Objetivos ....................................................................................................................................... 19
Situación Temporal del Trabajo ............................................................................................. 19
La Importancia de esta Investigación ..................................................................................... 19
El Tipo de Problema que se Estudia y la Metodología ........................................................... 20
El Alcance y Resultados de la Investigación .......................................................................... 20
Los Puntos que no son Considerados ..................................................................................... 20
Revisión de la Literatura ............................................................................................................... 21
Antecedentes de Hardware/Software para Controladores o Procesadores de Petri (PP) ........ 21
Estado de Desarrollo de los Distintos Controladores o Procesadores de RdP........................ 21
Distintos Tipos de Controladores .................................................................................................. 25
Implementados por Hardware, Interpretados o Cableados (compilados) ............................... 25
Reducción de la Memoria de la Unidad de Disparo del Controlador de RdP ........................ 28
Tipo Reducido de Memoria, Unidad de Disparos .................................................................. 31
Implementación del Algoritmo de Disparo RdP en FPGA .................................................... 32
Procesador Reconfigurable para la Simulación de RdP ......................................................... 37
Controlador para Evitar Puntos Muertos en RdP por Hardware ............................................ 38
Controlador Programable de Alta Velocidad Basado en RdP ................................................ 39
Unidad de Control con RdP como Procesador Modular de Señal de Alta Velocidad ............ 42
Diseño de Controlador Lógico con Enfoque Jerárquico para Aplicaciones Específicas ........ 46
Diseño basado en Lógica Programable con Rdp .................................................................... 47
v
De un Modelo con RdP a una Implementación de un Controlador Digital con VHDL ......... 48
Distintos tipos de Controladores Implementados por Software, Interpretados o Compilados. .....55
Implementación de una Estación de Trabajo con un Lenguaje de Programación Paralela .... 55
De una RdP IOPT a C ............................................................................................................ 57
Generación Automática de Programas Concurrentes con RdP .............................................. 60
Herramienta de Generación de Código para la Simulación y Control basada en CPN .......... 62
Herramienta Tailored para la Generación de Códigos de Modelos con RdP ......................... 66
Implementación de Controladores Digitales en C a partir de Modelos de RdP ..................... 74
Diseño de un Controlador usando Stretching en RdP Temporizadas para evitar Interbloqueo
............................................................................................................................................... 83
Aplicación a Programas de Controlador Lógico con Modelo de RdP Coloreada .................. 86
Caso de RdP Entrada-Salida Plaza-Transición (RdP IOPT) y Herramientas asociadas ....... 88
Aplicación de un Controlador de RdP Adaptiva en Tiempo de Ejecución ............................ 89
Configuración de Nodos de Red de Comunicación ............................................................... 95
Circuitos Intra e Inter basados en Componentes de RdP ....................................................... 98
Evaluación de Performance para Algoritmos de Ejecución de RdP .................................... 100
Distintas Formas en que han sido Divididas las RdP ...................................................................106
Según su Interpretación, Diseño y Generación de Espacio de Estados ............................... 106
Partición de RdP utilizando las operaciones de división ..................................................... 109
Extensión de la Operación de División para la Descomposición de RdP de Alto Nivel ..... 117
Composición de Modelo mediante la Reutilización de Módulos basados en RdP .............. 126
Ejecución de transiciones de RdP distribuidas y resolución de conflictos a través de la
transformación de modelos .................................................................................................. 128
Distintas interfaces de Comunicación entre el Procesador/Controlador y los Procesos ..............128
Diseño de Código para Sistemas Embebidos a partir de Modelos con RdP No Autónomas 128
Eventos para el Modelado con RdP IOPT para Interacción Humana-Sistema .................... 132
Ecore basado en RdP del tipo RdP IOP para la Definición del Modelo ............................. 133
Desarrollo de Sistemas basados en Módulos con RdP ......................................................... 133
Una Herramienta para la Generación de Estados de RdP IOPT .......................................... 134
Antecedentes Previos usados en la Patente ..................................................................................134
Conclusión de las Características Implementadas en los Trabajos Estudiados ...........................136
Capítulo 3 ................................................................................................................................. 139
Determinación de la Arquitectura para integrar el PP a un Sistema SMP ........................ 139
Resumen .......................................................................................................................................139
Introducción .................................................................................................................................139
vi
Objetivos ..................................................................................................................................... 139
Objetivos Secundarios .......................................................................................................... 139
Restricciones ........................................................................................................................ 140
Resultados Esperados .................................................................................................................. 140
SESC .................................................................................................................................... 140
Modelado del Procesador en SESC ...................................................................................... 140
Componentes del SESC ........................................................................................................ 140
Impacto de la Sincronización y Exclusión Mutua en Sistemas SMP con Múltiples Hilos ......... 142
Análisis de la Sincronización entre Hilos ............................................................................. 142
Relación entre Hilos Sincronizados y Sin Sincronizar ......................................................... 143
Análisis de las Opciones ....................................................................................................... 145
Desarrollo e Implementación ...................................................................................................... 146
Relación entre Eventos y Transición .................................................................................... 146
Elementos del Algoritmo ...................................................................................................... 147
Algoritmo del PP Simplificado ............................................................................................ 148
Implementación y Ejecución del Algoritmo de Petri Simplificado ............................................. 148
Implementación del Mecanismo en el Simulador ................................................................ 149
Simulaciones y Mediciones ......................................................................................................... 153
Escritores Alternados............................................................................................................ 153
Productor / Consumidor ....................................................................................................... 155
Algoritmo de Simulación de una Planta de Embalaje .......................................................... 158
Caso de Algoritmo de Control .............................................................................................. 161
Resultados y Conclusiones .......................................................................................................... 164
Capítulo 4 ................................................................................................................................. 167
Sistema Multi-Core Sincronizado por un PP Implementado en una FPGA ...................... 167
Resumen ...................................................................................................................................... 167
Objetivos ..................................................................................................................................... 167
Objetivos Secundarios .......................................................................................................... 167
Restricciones ........................................................................................................................ 167
Materiales y Metodología del Trabajo ........................................................................................ 167
Resultados Esperados .................................................................................................................. 168
Mejoras Alcanzadas con este Enfoque ................................................................................. 168
RdP Extendidas .................................................................................................................... 168
Poder de Expresión de las RdP .................................................................................................... 169
Relación entre las Funciones del Monitor y las RdP Extendidas y No Autónomas (RdPnA) ... 169
vii
Requerimientos del PP .................................................................................................................172
Implementación del Sistema Embebido ............................................................................... 173
Diagrama en Bloque del PP ................................................................................................. 173
Direcciones Mapeadas en Memoria ..................................................................................... 174
Implementación en Hardware del PP ...........................................................................................176
Arquitectura del PP ............................................................................................................. 176
Algoritmo para la Ejecución de RdPnA ............................................................................... 177
Colas de Entrada y Salida del PP ......................................................................................... 179
Señales de Control ............................................................................................................... 179
Desarrollo de las Aplicaciones de Prueba ....................................................................................180
Implementación del Sistema Operativo ............................................................................... 180
Desarrollo de las Aplicaciones ............................................................................................. 181
Medición del Rendimiento ................................................................................................... 184
Caso de Prueba para Dos Escritores ............................................................................................184
Caso de Prueba para 4 Escritores .................................................................................................187
Caso de Prueba para 6 Escritores .................................................................................................188
Análisis y Resultados ........................................................................................................... 189
Resultados y Conclusiones ..........................................................................................................191
Capítulo 5 ................................................................................................................................. 193
Procesador de Petri Temporal ................................................................................................ 193
Resumen .......................................................................................................................................193
Objetivos ......................................................................................................................................193
Los objetivos Secundarios ................................................................................................... 193
Desarrollo .....................................................................................................................................194
PP Diseño e Implementación ............................................................................................... 194
Arquitectura General del Sistema ................................................................................................194
Restricciones ................................................................................................................................194
Requerimientos para la Construcción del PP ...............................................................................195
Ampliación de la Arquitectura del PP ..........................................................................................196
Arquitectura del PPcT ..................................................................................................................197
Funcionamiento del PPcT .................................................................................................... 202
Procesador de RdP con Tiempo (PPcT) .......................................................................................206
Algoritmo para la ejecución de RdPcT ........................................................................................208
Arquitectura del PPTm......................................................................................................... 208
Módulo de Cálculo de la Ecuación de Estado ...................................................................... 208
viii
Módulo para Disparos Múltiples del PP, PPcT y PPTm ..................................................... 214
Manejo de Interrupciones ............................................................................................................ 215
Arquitectura del Generador de Interrupciones ..................................................................... 216
Funcionamiento del Sistema ................................................................................................. 217
Resultados Obtenidos .................................................................................................................. 217
Crecimiento del Tamaño del IP-Core con |P| y |T| ............................................................... 217
Medidas de Rendimiento ...................................................................................................... 220
Mediciones Realizadas ......................................................................................................... 220
Arquitectura del PPcT con otros Brazos ..................................................................................... 224
Resultados y Conclusiones .......................................................................................................... 226
Capítulo 6 ................................................................................................................................. 229
Procesador de Petri Jerárquico .............................................................................................. 229
Resumen ...................................................................................................................................... 229
Objetivos ..................................................................................................................................... 229
Objetivos Secundarios .......................................................................................................... 229
Desarrollo .................................................................................................................................... 229
Análisis para la Implementación .......................................................................................... 229
División de RdP ........................................................................................................................... 233
Alternativas para Dividir una RdP........................................................................................ 234
Análisis Preliminar de Disminución de Recursos ................................................................ 242
Consideraciones para División RdP ..................................................................................... 246
Consideraciones para obtener Redes Jerárquicas Divididas por Transiciones ..................... 248
Componentes del PP y el HPP .............................................................................................. 254
Consideración por Eventos entre los Procesos y el HPP ...................................................... 267
Software para la Simulación del Modelo HPP ............................................................................ 271
Requerimientos del Software de Simulación del HPP ......................................................... 271
Software para la Evaluación del HPP ................................................................................... 272
Ejemplo de Simulación......................................................................................................... 275
Implementación en Hardware del HPP ....................................................................................... 278
Arquitectura del Sistema ...................................................................................................... 279
Arquitectura del HPP ........................................................................................................... 280
Comunicación entre Procesos y HPP ................................................................................... 282
Evaluación del Hardware del HPP ............................................................................................. 288
Estudio de Crecimiento del Hardware .................................................................................. 288
Pruebas para Determinar el Desempeño ............................................................................... 294
ix
Resultados y Conclusiones ..........................................................................................................311
Capítulo 7 ................................................................................................................................. 315
Procesador de Petri (PP) Comunicación y Código de Procesos ........................................... 315
Resumen .......................................................................................................................................315
Objetivos .............................................................................................................................. 315
Antecedentes ........................................................................................................................ 315
Etiquetas de Transición ................................................................................................................316
Procesos .......................................................................................................................................318
Modelado de RdP Orientada a Procesos (POPN) ........................................................................319
Introducción ......................................................................................................................... 319
Método de Modelado ........................................................................................................... 319
Caso de Aplicación ......................................................................................................................322
Tráfico Marino ..................................................................................................................... 322
Caso de Aplicación ......................................................................................................................325
Celda de Manufactura Flexible ............................................................................................ 325
Resultados y Conclusiones ..........................................................................................................332
Capítulo 8 ................................................................................................................................. 335
Resumen de Resultados, Conclusiones, Contribuciones y Líneas Abiertas ........................ 335
Introducción .................................................................................................................................335
Resumen de Resultados ...............................................................................................................335
Conclusiones ................................................................................................................................337
Contribuciones .............................................................................................................................338
Líneas de Investigación Abiertas .................................................................................................339
Referencias Bibliográficas ....................................................................................................... 341
Anexo A ..................................................................................................................................... 355
RdP Temporales (RdPTp) ............................................................................................................355
Introducción .................................................................................................................................355
Distintos formalismos de RdPTp ......................................................................................... 355
RdPTp ..........................................................................................................................................355
Transición temporizada de Sistemas (TTS) ......................................................................... 356
Extensión de tiempo en las RdP .......................................................................................... 357
Semántica de las RdPTp ...................................................................................................... 358
Inclusión de las semánticas ................................................................................................. 361
Inclusión estricta .................................................................................................................. 362
Resultado de equivalencia de las RdPTp acotadas con intervalos superiores cerrados ....... 362
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