Uma plataforma para agentes em hardware utilizando reconfiguração parcial

Abstract

Este trabalho apresenta o projeto e arquitetura de uma plataforma para execução de Agentes com funções implementadas em hardware, tomando vantagem do uso de hardware reconfigurável. Os Agentes em hardware são implementados utilizando dispositivos FPGA (Field-programmable Gate Array). O trabalho estende trabalhos anteriores semelhantes na área, com o diferencial de adicionar suporte às funcionalidades de reconfiguração parcial do hardware, suportar aplicações que demandam alto desempenho em hardware – como processamento de sinais e imagens – e redução de recursos de hardware necessários para execução da interface em software. A plataforma proposta utiliza o framework JADE (Java Agent Development Framework), que é um dos frameworks mais populares no estado da arte de desenvolvimento de Agentes e compatível com outros frameworks de Agentes através da conformidade aos padrões FIPA (Foundation for Intelligent Physical Agents). Com o uso do JADE, a plataforma possibilita a comunicação entre Agentes com funções implementadas em hardware e Agentes puramente implementados em software dentro de um mesmo SMA (Sistema Multi-Agente). Uma funcionalidade notável do JADE é a possibilidade de migração de Agentes entre plataformas de um mesmo SMA. Através do uso da reconfiguração parcial de hardware em conjunto com o JADE, a plataforma permite a migração de Agentes de software para hardware e vice-versa, além de suportar reconfiguração de múltiplos Agentes em hardware com um único FPGA. A plataforma faz uso de um único chip através do uso de um processador soft core implementado na lógica programável. O uso deste processador é um diferencial neste trabalho, e mostra que é possível utilizar o JADE em sistemas embarcados com recursos de processamento limitados. Ou seja, em um Agente cuja principal função é implementada em hardware, basta um processador bastante simples para atuar como uma interface entre o hardware e o framework de Agentes. O uso do processador dentro do FPGA tem também o benefício de oferecer formas de acesso mais integrado ao hardware, permitindo maior desempenho na transmissão de dados ao hardware. A plataforma foi validada através de estudos de caso de Agentes com implementações em hardware e em software, incluindo um estudo de caso aplicado de processamento de imagem embarcado utilizando VANTs (Veículos Aéreos Não-Tripulados). O estudo também apresenta comparações de desempenho entre a execução dos Agentes em hardware e em outras plataformas embarcadas de prateleira. Os experimentos realizados mostram um ganho significativo de desempenho nas implementações em FPGA, especialmente considerando processamento de imagens de alta resolução, mesmo considerando que o FPGA executa em frequências consideravelmente reduzidas em comparação às outras plataformas testadas.

This work described the design and architecture of a platform for execution of Agents whose functions are implemented in hardware, by leveraging the use of reconfigurable hardware. The hardware Agents are implemented using FPGA (Field-programmable Gate Array) devices. This work extends previous similar work in this field, while adding the features of hardware partial reconfiguration, supporting applications which require high performance in hardware – such as image or signal processing – and reducing the hardware resource for the software interface execution. The proposed platform makes use of the JADE (Java Agent Development Framework) framework, which is one of the most popular frameworks in state-of-the-art Agent development, and is also compatible with other Agent development frameworks due to compliance with FIPA (Foundation for Intelligent Physical Agents) standards. With the use of JADE, the platform enables communication among Agents which are implemented in hardware and Agents purely implemented in software, inside the same MAS (Multi-Agent System). One notable feature of JADE is the possibility of migrating Agents among platforms inside a single MAS. Through the use of hardware partial reconfiguration along with JADE, the platform enables the migration of Agents from software to hardware and viceversa, in addition to supporting múltiple hardware Agents in a single FPGA. The platform makes use of a single chip, by using a MicroBlaze soft core processor implemented in programmable logic. The use of this processor is a distinction on this work, and it shows that it is possible to use JADE on embedded systems with limited processing power. That is, in an Agent whose main function is implemented in hardware, a very simple processor to act as an interface between hardware and the Agent framework is enough. The use of the soft core processor inside the FPGA also has the benefit of offering more integrated ways of accessing hardware, enabling higher performance for transferring data to hardware. The platform was validated through case studies of hardware and software Agent implementation, including a case study applied to image processing using UAVs (Unmanned Aerial Vehicles). The study also shows performance comparisons between the Agent execution in hardware and in other off-the-shelf embedded platforms. The performed experiments report a significative performance increase in the FPGA implementations, particularly in high resolution image processing, even considering that the FPGA runs in considerably lower clock frequency than the other tested platforms.