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Abstrakt in Englisch

The performance of integrated circuits must be constantly increased in order to support advanced algorithms of information processing, e.g. latest multimedia and mobile communications standards, running simultaneously. Multi-Processor Systems- on-Chip (MPSoC) can fulfill these requirements by distributing the jobs onto parallel processing units where they can be executed concurrently. The efficient communication of such processing units as well as memories and I/O-Interfaces is a challenge which shall be solved by packet-switched Networks-on-Chip (NoC). They break up long connecting wires by inserting routers and transmitting the data as packets across the NoC. They reduce the wiring overhead, increase clock frequency, bandwidth and scalability, enable parallel data transfers and utilize the communications resources much more efficiently by avoiding circuit-switching.

But packet-switching only cannot provide any guarantees concerning through- put, latency and jitter required by numerous applications. These applications have realtime requirements which must be supported by the scheduling of jobs onto processors and by the data transfers via Quality-of-Service (QoS), too. The combination of packet- and circuit-switching is able to realize QoS by reserving special routes on top of the packet-switched NoC. These routes carry the guaranteed traffic including bandwidth, latency and jitter guarantees.

Today, the main challenge and, thus, the purpose of this thesis is the search and allocation of QoS resources in the NoC suitable for an application executed on the MPSoC. Based on a dynamic run-time task scheduling mechanism, we present techniques how to find and allocate QoS resources within a few dozen clock cycles and less. We analyze centralized methods which introduce a special unit in the MPSoC owning complete control about the QoS resources of the NoC. We compare them to distributed variants which utilize the NoC itself for the allocation process. Our study reveals a cost-benefit advantage of the centralized methods. They require less area and demonstrate better performance in most traffic scenarios. Our results enable the development of MPSoCs which support soft realtime constraints of applications not only at scheduling but at data transfers across the NoC, too.

Abstrakt in Deutsch

Fortgeschrittene Algorithmen der Informationsverarbeitung, wie z.B. neueste Multimedia- und Mobilfunkstandards, sowie die Notwendigkeit, mehrere Anwendungen gleichzeitig zu unterstützen, erfordern ständige Steigerungen der Leistungsfähigkeit von Chips. Multiprozessor Systeme auf einem Chip (MPSoC) verteilen die Aufgaben auf parallele Verarbeitungseinheiten, auf denen sie gleichzeitig nebeneinander abgearbeitet werden und somit die Applikation beschleunigen. Die effiziente Vernetzung dieser Verarbeitungseinheiten sowie von Speichern und I/O-Schnittstellen ist dabei ein große Herausforderung, die von paketvermittelten Netzwerken auf einem Chip (NoC) bewältigt werden sollen. Sie zerteilen lange Verbindungsdrähte, indem sie Router einfügen und die Daten als Pakete in das NoC speisen. Dies verringert den Verdrahtungsaufwand, erhöht die Taktfrequenz, Bandbreite sowie Skalierbarkeit und erlaubt parallele Datentransfers.

Reine paketvermittelte Netze können aber keine Garantien bezüglich Latenz, Durchsatz und Jitter der Datentransfers geben, die aber für zahlreiche Anwendungen notwendig sind. Diese Applikationen haben Echtzeitanforderungen, die beim Scheduling der Aufgaben auf die Prozessoren wie auch bei den Datentransfers in Form von Quality-of-Service (QoS) unterstützt werden müssen. Daher ist eine Kombination aus paket- und leitungsvermittelten Netzen notwendig. Auf der Basis von Paketvermittlung müssen im NoC spezielle Routen reserviert werden können, über die der Verkehr mit Bandbreite-, Latenz- und Jitter-Garantien transportiert werden kann.

Die wesentliche Herausforderung ist heute, diese QoS Ressourcen des NoCs in Abhängigkeit von den auf dem Chip ausgeführten Applikationen zu finden und zu reservieren. Dieser Aufgabe widmet sich diese Arbeit. Ausgehend von einem dynamischen, zur Laufzeit ausgeführten und auf Tasks basierendem Scheduling Verfahren, stellen wir Methoden vor, wie auch die QoS Ressourcen zur Laufzeit in nur ein paar Dutzend Takten und weniger gefunden und allokiert werden können. Wir analysieren verschiedene zentralisierte Allokationsmechanismen, bei denen eine Einheit im MPSoC die Kontrolle über die QoS-Ressourcen des NoCs hat, und stellen sie verteilten Varianten gegenüber, bei denen das NoC selbst für diesen Allokationsprozess genutzt wird. Dabei zeigte sich, dass die zentralisierten Verfahren in den meisten Verkehrsszenarios einen Kosten-Nutzen-Vorteil gegenüber den verteilten Verfahren aufweisen. Sie haben einen niedrigeren Flächenbedarf und offenbarten in den meisten Fällen auch eine bessere Leistungsfähigkeit. Mit diesen Ergebnissen können MPSoCs entwickelt werden, die weiche Echtzeitfähigkeit für Applikationen nicht nur beim Scheduling sondern auch bei den Datentransfers im MPSoC unterstützen.