1. 2012/10/2 Utsunomiya University, Dept. of Information Systems Sci. 1
研究室紹介（2012）
宇都宮大学 大学院工学研究科
情報システム科学専攻
大川猛

2. 2012/10/2 Utsunomiya University, Dept. of Information Systems Sci. 2
大川研究室の研究テーマ
• Reconfigurable Computingという研究分野
（リコンフィギャラブル：機能可変）
• 【１】機能可変なハードウェア（FPGAなど）による、
プログラム実行の変化に対応する実行時最適化方式
• 目的： 処理性能向上、消費電力削減
＋ 設計生産性向上（コスト削減）
• 【２】 FPGAを含む分散システム向け基本ソフトウェア
• 目的： 処理性能向上、消費電力削減
＋ 設計生産性向上（コスト削減）

3. 2012/10/2 Utsunomiya University, Dept. of Information Systems Sci. 3
FPGAとは
• FPGA : Field Programmable Gate Array
• 現場（フィールド）で（機能を）プログラム可能なゲートアレイ
• ゲートアレイとは： トランジスタ（ゲートアレイ）を作ってある半導体
基板に、配線層だけをオーダーメイドで作る製造手法
• フィールドでプログラム可能にする方法は？
• 配線＋スイッチをたくさん用意しておく
• スイッチのON/OFFで、配線を（ある程度）自由につなぎかえる
• スイッチ＝トランジスタ
mem mem

4. 2012/10/2 Utsunomiya University, Dept. of Information Systems Sci. 4
FPGAのデザインフロー
ソース
(RTL) デザイン検証
論理シミュレーション
Synthesis (RTL)
論理合成
論理シミュレーション
Implementation （ゲートレベル）
配置配線
タイミング情報を含めた
コンフィギュレーション シミュレーション
データ生成
FPGAデバイスへの 実デバイスでの
ダウンロード 動作検証

5. 2012/10/2 Utsunomiya University, Dept. of Information Systems Sci. 5
RTLの例 （Verilog-HDL）
module bcount4 ( RSTb, clk, Q );
output [3:0] Q; クロックが立ち上がる度に
input RSTb, clk;
always @ (posedge clk)
begin
if (!RSTb) ここに書かれたことをする
Q <= 4'h00; （レジスタQを書き換える）
else →Register Transfer Level
Q <= Q + 4'h01;
end
endmodule

6. 2012/10/2 Utsunomiya University, Dept. of Information Systems Sci. 6
RTLからの回路合成後のネットリスト例
module bcount4 ( clk, RSTb, Q );
output [3:0] Q;
input clk, RSTb;
wire N7, N8, N9, N10, N4, N5, N6, n1, ¥add_12/carry[2] , ¥add_12/carry[3] ;
AND2 I11 ( .A(n1), .B(RSTb), .Y(N10) );
AND2 I6 ( .A(Q[1]), .B(Q[0]), .Y(¥add_12/carry[2] ) );
XOR2 I7 ( .A(Q[1]), .B(Q[0]), .X(N4) );
AND2 I4 ( .A(Q[2]), .B(¥add_12/carry[2] ), .Y(¥add_12/carry[3] ) );
XOR2 I5 ( .A(Q[2]), .B(¥add_12/carry[2] ), .X(N5) );
AND2 I8 ( .A(RSTb), .B(N4), .Y(N9) );
DF ¥Q_reg[0] ( .CP(clk), .A(N10), .X(Q[0]), .Y(n1) );
XOR2 I3 ( .A(Q[3]), .B(¥add_12/carry[3] ), .X(N6) );
AND2 I9 ( .A(N5), .B(RSTb), .Y(N8) );
DF ¥Q_reg[1] ( .CP(clk), .A(N9), .X(Q[1]) );
AND2 I10 ( .A(N6), .B(RSTb), .Y(N7) );
DF ¥Q_reg[2] ( .CP(clk), .A(N8), .X(Q[2]) );
DF ¥Q_reg[3] ( .CP(clk), .A(N7), .X(Q[3]) );
endmodule

7. 2012/10/2 Utsunomiya University, Dept. of Information Systems Sci. 7
機能可変なハードウェア（FPGA）の応用
• FPGAは最大で約200万の基本素子が搭載
• 超並列で計算するシステムを設計することが可能
• 例）
• 画像処理・画像認識・音声処理
• 流体シミュレーション・電磁界シミュレーション
【１】プログラム実行の変化に対応する実行時最適化方式
• 複雑なアプリ → 入力データにより処理の負荷が大幅に変動する
• 通常の固定的なハードウェアは、画一的処理しかしない。
• 機能可変なハードウェアを活用し、ハードウェアを必要に応じてプログラム
• 機能可変なシステムを如何に設計するか（プログラミングモデル）
• RTLでの設計では難しい → 高位言語合成、設計言語の適材適所組合せなど

8. 2012/10/2 Utsunomiya University, Dept. of Information Systems Sci. 8
問題１：FPGAに作った回路を
どうやってソフトウェアから動かす？
• ALTERA SOPC Builder
• Xilinx EDK (Embedded Development Kit)
→FPGAベンダーからツールが販売されています
– Xilinx EDKの概要
– プラットフォーム・ベースの回路設計ツール
• IP部品をバスに接続することで、FPGA回路を設計可能
– 組込みソフトウェア開発ツール
• FPGA上のARMハードコアもしくはMicroBlazeソフトコアを上記プラット
フォームに接続
• ソフトウェア開発（C/C++）Eclipse環境
• JTAG経由でのデバッグ（ソースコードレベル）
• OS
– XMK（Xilinx Micro Kernel）
– 商用Linux (MontaVista, WindRiver, BlueCat…)
– 商用RTOS(VxWorks)

9. 2012/10/2 Utsunomiya University, Dept. of Information Systems Sci. 9
問題２：FPGAに作ったソフトウェアを
どうやって外部のシステム（PC等）から
動かす？ FPGA ソフトウェア
C/C++
PC
ソフトウェア
Java・C#など
CPU CPU
自分の
作った
回路
【2】FPGAを含む分散システム向け基本ソフトウェア
 FPGAとPCを接続する為のソフトウェア開発
◦ FPGA上のソフトウェアはC/C++で記述、何らかのOS・ミドルウェアを使用
 FPGA上の回路やソフトウェアをオブジェクトとして扱うことで
開発生産性を向上（オブジェクト指向の設計が可能）
 ORB（オブジェクト要求ブローカ）の考え方

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教育方針
• 学部の卒業生には
• 【防御力】企業に勤めた時に周囲の環境に負けない力
• 自分で成長するための力、這い上がれる力 （メタスキル）
• 【防御力】情報技術者としての常識
• プログラミング・情報整理術・情報検索術
• 【攻撃力】就職活動でアピールできる力
• 自分を売り込む能力 （プレゼン能力）
• 大学院の卒業生には
• 上記の力にくわえて・・・
• 【防御力】セルフマネジメント力
• 計画的に物事を進める力、プロジェクトを失敗しないスキル
• 【攻撃力】情報技術者としての強み
• 世界一・世界初の成果

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大川研究室のまとめ
• つまり研究テーマは、
• 【１】機能可変なハードウェア（FPGAなど）による、
プログラム実行の変化に対応する実行時最適化方式
• 【２】 FPGAを含む分散システム向け基本ソフトウェア
• 応用は、
• Android（スマートフォン）・組込みシステム・ロボッ
ト制御
• 情報工学と半導体・電子工学の境界
＝ ソフトウェアとハードウェアの境界
Reconfigurable Computing
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