HW/SW Codesign für effiziente bitstromorientierte Datenverarbeitung eingebetteter Systeme

Aktuelle Standards für den breitbandigen zellularen Mobilfunk wie HSPA oder LTE enthalten zahlreiche Protokolle, die eine umfangreiche Verarbeitung von Bitströmen benötigen.

Dazu ist für die mobilen Endgeräte wie Smartphones eine energieeffiziente Verarbeitung notwendig. Zusätzlich ist aufgrund der komplexen und umfangreichen Spezifikationen der einzelnen Protokolle eine soweit als mögliche Verarbeitung in Software wünschenswert.

In dieser Arbeit wird untersucht, wie sich anwendungsspezifische Prozessoren (ASIPs) für energieeffiziente Bitstromverarbeitung in Protokollen verwenden lassen. Diese ermöglichen es kritische Bereiche durch Hardware Erweiterungen zu beschleunigen. In dieser Arbeit werden verschiedene Erweiterungen für die Bitstromverarbeitung vorgestellt und untersucht. Die eigentliche Verarbeitung erfolgt aber weiterhin durch Software. Für den Softwareentwurf wird dabei in dieser Arbeit ein neuer Ansatz gewählt.

Komplexe Bitströme werden mit Hilfe von kurzen Metaprogrammen knapp und präzise beschrieben. Aus der Bitstrombeschreibung wird vom Compiler mittels Metaprogrammierung umfangreicher Verarbeitungscode generiert. Dieser lässt sich vom Compiler unter Ausnutzung gängiger Optimierungen zu sehr energieeffizienten Maschinencode umwandeln. Dabei können Hardwareerweiterungen des ASIPs eingebunden werden, ohne die Software der Bitstromverarbeitung
zu ändern.

Ziel dieser Arbeit ist es zu zeigen, wie eine effiziente Bitstromverarbeitung für eingebettete Systeme möglich
ist, bei gleichzeitig einer schlanken und plattformunabhängigen Softwareschnittstelle.

Current broadband cellular wireless standards like HSPA or LTE contain various protocols that require tremendous amount of bitstream processing. For the handheld devices like smartphones an energy efficient processing is required. Additionally the complex and ex- tensive protocol specifications favor a much as possible software based processing solution.
This work investigates how application specific instruction-set processors (ASIPs) can be employed to do energy efficient bitstream processing. ASIPs allow to accelerate perfor- mance critical hot-spots by custom hardware extensions. In this work different bitstream processing hardware extensions are proposed and investigated.

However, the actual processing is still done by software. For the software design this work proposes a new methodology. Complex bitstreams are described by short and precise meta-program constructs. That constructs are transformed by the compiler at compile time to extensive bitstream manipulation code.
By using standard optimization features the compiler is able to generate energy efficient assembly code. Additionally custom hardware extensions of the ASIP can be included without changing the software doing the actual bitstream processing.

This work demonstrates energy efficient bitstream processing for embedded systems by proposing a lightweight and platform independent software interface.