Gerenciamento de Dispositivos de Borda Reconfiguráveis na Computação Pervasiva

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1 Gerenciamento de Dispositivos de Borda Reconfiguráveis na Computação Pervasiva Eduardo da Silva Möller, Wagner Al-Alam, Maurício Lima Pilla, Adenauer Corrêa Yamin, André Rauber Du Bois Universidade Católica de Pelotas Escola de Informática Programa de Pós-Graduação em Informática - PPGInf {pilla, adenauer, Resumo A Computação Pervasiva é uma nova tendência que pode ser definida como um ambiente computacional onde o foco é o ser humano, ou a tarefa que ele deseja realizar, permitindo assim ao usuário dedicar-se mais às questões de seu interesse do que ao gerenciamento da execução. A Computação Reconfigurável, por sua vez, provê dispositivos lógicos reconfiguráveis com o objetivo de unificar o desempenho do hardware fixo com a flexibilidade do hardware programável através de software. No entanto, as ferramentas atuais para a atualização de configurações nestes dispositivos não são adequadas para ambientes de elevada heterogeneidade, com dispersão geográfica e grande número de dispositivos. Assim, este trabalho tem como objetivos desenvolver um estudo de problemas relativos à distribuição de configurações de hardware para dispositivos reconfiguráveis em um ambiente pervasivo, bem como propor um Serviço de Atualização de Configurações de Hardware, direcionado para dispositivos do tipo FPGA (Field- Programmable Gate Array), no middleware EXEHDA. 1. Introdução A Computação Pervasiva se faz presente quando o computador é inserido dentro um ambiente transparente para os usuários. Neste contexto, o computador tem a capacidade de acessar informações do ambiente no qual ele está inserido para a construção dinâmica de modelos computacionais [3]. A revolução das tecnologias de acesso sem fio, por sua vez, impulsionou o crescimento da Computação Pervasiva. Esta nova fase também é chamada de era da conexão em mobilidade. Atualmente, dentre as principais tecnologias para Computação Pervasiva encontram-se: os smartphones, as redes de acesso sem fio, redes pessoais bluetooth, redes infravermelhas, laser, sensores, RFID e os dispositivos embarcados. As áreas de aplicação da Computação Pervasiva incluem: ensino, trabalho colaborativo, residências e automóveis inteligentes e entre outras. Considerando a premissa de que em um ambiente pervasivo haverá um número elevado de dispositivos heterogêneos em diferentes localidades, o foco deste trabalho é prover um Serviço de Atualização de Configurações de Hardware - SACH - que gerencie pacotes de atualização de forma distribuída, através do qual vários FPGAs possam ser atualizados simultaneamente, e sem a intervenção direta de operador humano. As principais questões a serem abordadas para viabilizar o SACH são: uso da banda, consumo de energia, heterogeneidade e a desconexão do dispositivos. Este artigo está organizado na seguinte forma. Na Seção 2, a Computação Pervasiva é abordada, incluíndo o middleware EXEHDA. Na Seção 3, são apresentados conceitos de Computação Reconfigurável e dos Dispositivos Reconfiguráveis. Na Seção 4, o Serviço de Atualização de Configurações de Hardware é discutido. Finalmente, na Seção 5 as conclusões do artigo são discutidas. 2. Computação Pervasiva Segundo Weiser, a Computação Ubíqua ou Pervasiva, promove facilidades computacionais que devem ser incorporadas ao ambiente a fim de auxiliar atividades humanas de forma transparente [7]. Dentro deste contexto, o computador tem a capacidade de acessar informações do ambiente no qual ele está inserido para a construção dinâmica de modelos computacionais [3]. Segundo Villate [6], os dispositivos que hoje nos cercam serão enriquecidos de novas facilidades de uso, necessitarão pouca manutenção, serão leves e portáteis, com capacidade ilimitada em termos de tamanho, poder de consumo e conectividade intermitente. As áreas de aplicação

2 da computação pervasiva incluem: ensino, trabalho colaborativo, residências e automóveis inteligentes, entre outras. Alguns autores apontam que a Computação Pervasiva pode ser construída através da integração de três áreas da Computação: Computação Móvel, Computação em Grade e a Computação Consciente ao Contexto [9]. A Computação Pervasiva iniciou com a evolução das Redes de Computadores e dos Dispositivos Móveis e Embarcados, quando confrontada com aspectos de heterogeneidade elevada, mobilidade, disponibilidade de dados e serviços, e adaptação ao contexto [9], conforme mostra a Figura 1. embora constitua uma referência lógica única, seus serviços, sobretudo por aspectos de escalabilidade, poderão estar distribuídos entre vários equipamentos pelo sombreado associado ao símbolo da EXEHDbase; EXEHDAnodo: representam os equipamentos de processamento disponíveis no ambiente pervasivo, sendo responsáveis pela execução das aplicações. Um subcaso deste tipo de recurso é o EXEHDAnodo móvel. Figura 1. Consolidação do cenário da Computação Pervasiva [9] 2.1 EXEHDA O EXEHDA é um middleware direcionado às aplicações distribuídas, móveis e conscientes do contexto da Computação Pervasiva [9]. Ele promove o suporte as questões de todas as aplicações distribuídas dentro de um ambiente pervasivo. O EXEHDA fornece vários serviços com funcionalidades como: migração de componentes de software de uma localização física para outra; persistência, aumentando a disponibilidade e o desempenho do acesso dos dados; descoberta de recursos, dando suporte ao movimento dos dispositivos móveis e dos componentes entre diferentes células; comunicação, que possibilita ser anônima e assíncrona; escalonamento, decidindo onde executar as aplicações. A organização do ambiente pervasivo provido pelo EXEHDA é composta pelos seguintes componentes, ilustrados na Figura 2: EXEHDAcel: É composta por duas abstrações: EXEH- DAbase e EXEHDAnodos; EXEHDAbase: é o ponto de contato para os EXEH- DAnodos. Esta abstração tem a responsabilidade por todos os serviços básicos do ambiente pervasivo e, Figura 2. Composição do Ambiente Pervasivo [9] 3. Dispositivos de Borda com Arquitetura Reconfigurável Segundo Martins [2], com o avanço do crescimento na utilização da computação surge uma grande quantidade de problemas com um grau de complexidade mais elevada e, para resolver estes problemas, há uma grande demanda de recursos computacionais. O fato é que as soluções com complexidade mais elevada e que são implementadas em software seqüencial e executadas em um processador de propósito geral podem não satisfazer as necessidades de tempo de resposta e desempenho. As imlementações de soluções podem ser classificadas em dois extremos: Hardware Fixo; Hardware Programável Através de Software. A escolha entre hardware fixo e programável através de software envolve uma escolha entre desempenho e flexibilidade. Hardware fixo é mais eficiente e atinge melhor desempenho com menor consumo. No entanto, não permite a flexibilidade de atualização que o hardware programável através de software disponibiliza. Há ainda uma terceira forma intermediária para implementar soluções, as chamads Arquiteturas Reconfiguráveis.

3 Com o uso desse novo tipo de implementação computacional, é possível aproximar ou até mesmo alcançar o desempenho das soluções implementadas em hardware fixo com uma flexibilidade similar àquela encontrada nas soluções implementadas em hardware programável por software [2]. As soluções baseadas em arquiteturas reconfiguráveis agregam o desempenho de um hardware fixo com a flexibilidade de um hardware programável, solucionando problemas mais complexos. Os FPGAs (Field Programmable Gate Array) são compostos por matrizes de blocos lógicos programáveis, cercadas de blocos de entrada e saída, sendo conectadas por fios programáveis de interconexão também programáveis [4] (Figura 3). Alguns FPGAs podem ter suas funções lógicas reprogramadas dinamicamente, através do envio de pacotes de bitstream. Figura 3. Estrutura básica de um FPGA [1] A Computação Reconfigurável tem dois modos de configuração Estática e Dinâmica [5]. Na Reconfiguração Estática, o dispositivo torna-se operante após a configuração, sendo necessário parar qualquer atividade no sistema para aplicar uma nova configuração. Não há flexibilidade de trocar configurações durante a operação, mas permite um considerável desempenho através da utilização do hardware otimizado para a aplicação. Na Reconfiguração Dinâmica, o dispositivo pode ser reconfigurado durante a operação, de forma global ou parcial. Na reconfiguração dinâmica global, uma reserva de todos os recursos de hardware é feita para cada fase da execução. Depois que uma fase é concluída, todos os recursos da FPGA são reconfigurados para uma próxima fase. Na reconfiguração dinâmica parcial, a modificação dos recursos de hardware é realizada seletivamente ao longo da execução de uma aplicação. Esta flexibilidade permite que o hardware seja mais personalizado com relação às necessidades correntes da aplicação. Este tipo de reconfiguração exige que só os recursos selecionados sejam reprogramados, com overhead de configuração menor do que a reconfiguração global. Os FPGAs podem ser utilizados em uma ampla gama de aplicações, sendo que atualmente são usados principalmente para implementar, de forma mais ágil, hardware fixo para uma aplicação específica. No entanto, as capacidades de reconfiguração destes dispositivos podem ser usadas para permitir a adaptação dinâmica a novos requerimentos. Atualmente as reconfigurações desses dispositivos são feitas de forma manual e individual e este trabalho é muito oneroso e cansativo. Para ambientes pervasivos, a intervenção manual torna-se proibitiva, devido ao grande número de dispositivos, à dispersão geográfica e à heterogeneidade dos dispositivos. Assim, torna-se necessário que a reconfiguração seja feita sem a intervenção de um operador externo in loco e que a reconfiguração possa ser feita em vários dispositivos ao mesmo tempo. 4. Serviço de Atualização de Configurações de Hardware - SACH O Serviço de Atualização de Configurações de Hardware tem por objetivo propagar pacotes de bitstream para a reconfiguração dinâmica parcial de dispositivos reconfiguráveis, dentro de um ambiente pervasivo. Esta reconfiguração de pacotes para os FPGAs é feita de maneira dinâmica e parcial, distribuindo pacotes de bitstream para vários tipos de dispositivos lógicos ao mesmo tempo, e sem a intervenção direta do operador. A forma de reconfiguração dinâmica parcial ocorre quando algumas funções lógicas dos FPGAs são alteradas dinamicamente, sem ter a necessidade de desativar o dispositivo. Estas reconfigurações são executas apenas sobre arquiteturas reconfiguráveis que suportem este tipo de reconfiguração, como por exemplo, o VIRTEX II-PRO [8] e outros. O Serviço promove reconfigurações de forma distribuída e sem a intervenção direta do operador, efetuando a distribuição simultânea de pacotes para vários FPGAs. O tempo de reconfiguração é otimizado porque vários FP- GAs são atualizados de acordo com estratégias adequadas à Computação Pervasiva, com custo de tempo menor em relação a disbribuição de pacotes de forma individual. As principais dificuldades que devem ser vencidas pelo SACH são oriundas da combinação de características de ambientes pervasivos com as necessidades de dispositivos de borda reconfiguráveis com recursos limitados: Uso da banda: distribuir arquivos de configurações individualmente para cada dispositivo torna-se proibitivo em termos de largura de banda em um ambiente de Computação Pervasiva. Consumo de energia: em dispositivos embarcados, o consumo de energia é importante, pois muitas vezes estes não encontram-se ligados à rede elétrica e dependem de baterias. Desta forma, o processo de recebimento de novas configurações deve ser feito de forma a não causar demasiado impacto no consumo.

4 Heterogeneidade: os dispositivos podem ser de diversos modelos e fabricantes. Desconexão: os dispositivos não estão necessariamente conectados permanentemente à rede de comunicação de dados. Para resolver os problemas acima, o SACH executa a reconfiguração dos pacotes bitstream dos FPGAs por dois eventos: Quando são feitas atualizações de pacotes bitstream de FPGAs que estão instalados no repositório do Serviço. Vários procedimentos são executados como: monitoramento e importação dos pacotes, identificação dos pacotes, a comparação do novo pacote com os que já estão armazenados no Repositório Celular do Serviço (RCS), atualização dos pacotes no RCS, removendo o mais antigo e gravando o mais atualizado, e por fim envio aos Repositórios Locais (RL) de cada FPGA identificado. Após a substituição de um dispositivo na rede ou de vários ao mesmo tempo, por motivos de defeito ou por acréscimo de novos dispositivos lógicos. O processo de configuração ocorre quando o novo dispositivo é conectado na rede, e a partir deste momento, a atualização é solicitada ao Serviço por meio de uma requisição automática ou pelo próprio operador da área. A Figura 4 ilustra uma visão da arquitetura do Serviço SACH, de modo a identificar os níveis em que esta é dividida. O servidor é formado por cinco módulos que compõem o Serviço SACH: Monitor, Identificador, Comparador, Descritor (o arquivo XML interligado nos componentes Monitor, Identificador e Comparador), o instalador no Repositório Celular do Serviço e o Despachador para o Repositório Local dos clientes FPGAs. No serviço do Cliente, há três componentes: Recebedor de pacotes bitstream, Instalador de pacotes nos FPGAs, e o Finalizador, o qual finaliza a reconfiguração do dispositivo. A ilustração abaixo na Figura 5 mostra como o Serviço SACH situa-se no middleware EXHEDA. A instalação do Serviço é processada em cada nodo base de cada célula. O número de células depende da análise do projeto de instalação em cima da localização dos FPGAs na rede, podendo ser em uma ou várias células. Cada célula tem um nodo base que fornece informações dos FPGAs que se encontram instalados em cada repositório do Sistema. Estas informações estão armazenadas em arquivos XML no repositório do Serviço instalado em cada nodo base de cada célula, onde milhares de FPGAs podem ser gerenciados pelo Serviço. Figura 4. Visão da Arquitetura do Serviço SACH Figura 5. Ilustração do SACH em um Ambiente de Grade Pervasiva Este Serviço é integrado ao middleware EXEHDA que proporciona o suporte às aplicações distribuidas dentro de um ambiente pervasivo, utilizando parcialmente alguns serviços como por exemplo o Executor (Serviço de Disparo de Execução), BDA (Serviço da Base de Dados pervasiva das Aplicações) e o CIB (Serviço que implementa a Base de Informações da Célula), estando assim adequado as demandas da Computação Pervasiva abordado neste artigo. A estratégia feita foi integrar o Serviço SACH instalando o mesmo dentro do EXEHDAbase ou nodo base de cada EXEHDAcél ou célula. A comunicação será realizada com protocolos TCP/IP e não através dos serviços do EXEHDA, de modo a simplificar o suporte necessário de middleware nos dispositivos reconfiguráveis. Além disso, os nodos bases usarão um esquema de comunicação ponto a ponto, minimizando a centralização e aumentando o potencial de escalabilidade. Como cada célula EXEHDAcel possui um nodo base EXEHDAbase, que carrega todas as informações com relação aos pacotes de configuração dos FPGAs que compõem esta célula, os mesmos quando forem inseridos

5 em qualquer nodo base que faça parte deste ambiente pervasivo, podem ser enviados sem problemas para outro nodo base. Com isso além de facilitar a localização dos FP- GAs, também proporciona uma reconfiguração mais rápida, pois os pacotes poderão ser transferidos de células mais próximas dos dispositivos, diminuindo assim o tempo de configuração, consumo de energia e o tráfego na rede. A Figura 6 demonstra o funcionamento interno do Serviço instalado em um nodo base do EXEHDA. O Serviço ilustra a entrada do pacote de configuração, bem como, o arquivo de identificação do FPGA e o tipo de pacote que está sendo recebido pelo Serviço. Figura 6. Ilustração Interna do Funcionamento do SACH dentro de cada EXEHDAbase O Serviço apresenta várias etapas: O pacote é inserido no Serviço juntamente com seu arquivo de identificação XML; A thread Monitor detecta a entrada de novos pacotes; Verificada a existência de um novo pacote, é disparado o método de importação de pacote; Após a importação, é feita a leitura dos dados conntidos no XML do novo pacote como: nome do pacote, versão do pacote, dependências do pacote, modelo e arquitetura dos FPGAs; A seguir, é feita a comparação entre os dados dos pacotes armazenados dentro do RCS e os dados referentes ao novo pacote a ser instalado; Após a comparação, tem-se o resultado dos pacotes que devem ser atualizados dentro do RCS de cada nodo base que estejam com uma versão inferior a que está sendo inserida no serviço; Feita a atualização, o serviço cria uma lista de FPGAs referente ao nodo base da célula que está sendo inserido o novo pacote; Logo a seguir é feita a comparação entre os dados de cada FPGA instalado nesta célula com o XML do novo pacote; O resultado desta comparação é criado uma lista de FPGAs a atualizar; Esta lista de FPGAs que devem ser atualizados é monitorada por outra thread, chamada de Despacho, que dispara o método de exportação do novo pacote para todos os FPGAs que devem ser atualizados daquela célula contidos na lista, removendo os FPGAs da lista a atualizar. Os FPGAs recebem os pacotes e é feita a reconfiguração. A grande vantagem de um serviço como o SACH é a possibilidade de distribuir pacotes de reconfiguração a dispositivos lógicos com uma maior velocidade, diminuindo o custo de tempo e também pela diminuição dos problemas de overhead na rede, onde certamente há milhares de dispositivos que de tempos em tempos deverão ser atualizados dentro deste ambiente pervasivo. 5 Conclusão Neste artigo, foram apresentados os desafios para a atualização dinâmica de dispositivos reconfiguráveis em um ambiente de Computação Pervasiva. O SACH (Serviço de Atualização de Configurações de Hardware) foi desenvolvido para facilitar o trabalho de transferência de pacotes de reconfiguração dinâmica e parcial de vários FPGAs ao mesmo tempo, dentro de um ambiente pervasivo, sem a necessidade de intervenção direta de operadores em cada dispositivo. O SACH busca otimizar o tráfego na rede e também se valer de concorrência no procedimento de atualização. Desta forma, busca-se tornar o procedimento de configuração dos dispositivos mais rápido, principalmente dentro de um ambiente pervasivo onde poderá ter milhares de FPGAs. Atualmente, o SACH já possui um protótipo para atualização individual de FPGAs e um simulador de FP- GAs para testes. O SACH será estendido para suportar estratégias que contemplem, de forma eficiente, os desafios impostos por ambientes de Computação Pervasiva no tocante a atualização remota de múltiplos dispositivos.

6 Agradecimentos Esta pesquisa contou com recursos do edital PRO- ADE3/2005 FAPERGS. Referências [1] S. D. Brown and J. Rose. FPGA and CPLD architectures: A tutorial. IEEE Design & Test of Computers, 13(2):42 57, [2] C. A. P. da Silva Martins, E. D. Moreno, J. B. T. M. Ordonez, and M. B. Carvalho. Computação reconfigurável: Conceitos, tendências e aplicações. Ciência, Tecnologia e Inovação: Atalhos para o Futoro - Anais, 2: , [3] K. Lyytinen and Y. Yoo. Issues and challenges in ubiquitous computing. CACM: Communications of the ACM, 45, [4] D. G. Mesquita. Contribuções para reconfiguração parcial, remota e dinâmica em fpgas. Mestrado em ciência da computação, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, PUC/RS, Brasil, Disponível em: <http://www.inf.pucrs.br/ moraes/papers/dissertacao mesquita.pdf>. Acesso em: Junho [5] E. Sanchez, M. Sipper, J.-O. Haenni, J.-L. Beuchat, A. Stauffer, and A. P. Uribe. Static and dynamic configurable systems. IEEE Trans. Computers, 48(6): , [6] Y. Villate, A. Illarramend, and E. Pitoura. Keep your data safe and available while roaming. MONET, 7(4): , [7] M. Weiser. The computer for the 21st century. Scientific American, 265(3):94 104, [8] Xilinx. Virtex ii pro platform fpgas: Introduction and overview, jun Disponível em: <http://www.xilinx.com/partinfo/ds083.pdf/>. Acesso em: Abril [9] A. C. Yamin. Arquitetura para um Ambiente de Grade Computacional Direcionado, às Aplicações Distribuídas, Móveis e Conscientes do Contexto da Computação Pervasiva. Monografia de pós-graduação, UFRGS, Porto Alegre/RS, 2004.

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