English

The demands for flexibility and performance maybe are the two main driving forces of modern computing systems. Both are ever increasing requirements of users, devices, machines, processes, etc. Computer scientists and engineers constantly search for methods and architectures to solve these demands. Recently, reconfigurable systems - adaptable and fairly powerful computing devices - have approached this scene. Reconfigurable systems appear to be most appropriate for high flexibility and high performance. They process in parallel and can change their behavior by loading different configurations on their fabrics, also during run-time. However, comprehensive exploitation of the paradigms of reconfigurable computing is rarely found in modern systems. In particular, dynamic reconfiguration, i.e., the adaptation of the behavior during run-time, combined with partial reconfiguration capabilities of modern FPGAs remains unused in most modern designs. If we search for reasons, the answers are twofold. On one hand, we have to generally argue on what benefits partial run-time reconfiguration yields, as we have to overcome challenging technical hurdles. On the other hand, also few high-level methods exist that target the partial reconfiguration capabilities of modern FPGAs and would allow a system designer to exploit partial run-time reconfiguration. This thesis approaches the situation described along the second train of thoughts - the need for methods. We discuss new methods to exploit run-time reconfiguration, which explore given reconfiguration constraints and often target at specific application areas. In order to evaluate the methods, we integrate them into an abstracting layer view on reconfigurable computing. We also discuss the technical challenges, which have to be overcome to implement the methods. Altogether and maybe most notably, the introduced methods themselves explain where they can be useful, thus also making a case for the use of run-time reconfiguration in everyday systems - making reconfigurable systems mature.

Deutsch

Flexibilität und Leistungsfähigkeit (Performance) gehören wohl zu den am stärksten nachgefragten Anforderungen an moderne Rechensysteme. So werden beide in ständig steigendem Maße von Benutzern, aber auch Maschinen, Prozessen, usw. eingefordert. Informatikern und Ingenieuren obliegt die Aufgabe stets nach neuen Methoden und Architekturen zu suchen, die dieser Herausforderung gerecht werden. In jüngster Zeit sind nun die adaptierbaren und leistungsfähigen rekonfigurierbaren Rechensysteme als weitere Architekturen hinzugekommen. Ihre Eigenschaften weisen sie als besonders geeignet für das Erreichen von Performance und Flexibilität aus. So findet eine Berechnung auf rekonfigurierbaren Systemen im Raum, d.h. parallel, statt und kann nach Bedarf während der Laufzeit durch Rekonfigurierung angepasst werden. Trotz der offensichtlichen Vorteile sind unter den modernen Rechensystemen wenige vorzufinden, welche die Möglichkeiten der Rekonfigurierung auch tatsächlich ausnutzen. Insbesondere bleibt die dynamische Rekonfigurierung, d.h. die Anpassung des Verhaltens während der Laufzeit, kombiniert mit der Möglichkeit zur partiellen Rekonfigurierung oftmals ungenutzt. Es lasse sich zwei Begründungen hierzu ermitteln. Einerseits muss grundsätzlich geklärt sein, wo die tatsächlichen Vorteile einer partiellen Rekonfigurierung liegen, da eine solche nicht kostenneutral zu erreichen ist. Andererseits existieren aber auch nur wenige Methoden, insbesondere auf höherer Abstraktionsebene, die es erlauben die Leistungsdaten von Systemen bei Ausnutzung der partiellen Rekonfigurierung zu evaluieren und letztere dann später auch gewinnbringend einzusetzen. In dieser Arbeit wird dem Dilemma anhand der zweiten Begründung Rechnung getragen. Es werden vier neue Methoden diskutiert, die es erlauben Vorteile der partiellen Rekonfigurierung zur Laufzeit auszuschöpfen. Um die teilweise applikationsspezifischen Methoden zu explorieren, wird ein abstrahierendes Schichtenmodell verwendet. Zudem werden die für eine Implementierung notwendigen technischen Herausforderungen näher beleuchtet. Schlussendlich sind die vorgestellten Methoden nicht nur Entwurfsmittel, sondern stellen selbst neue Möglichkeiten zur Anwendung partiell rekonfigurierbarer Rechensysteme dar. Sie zeigen auf, wo der Einsatz möglich und praxisgerecht ist.