Versatile Configuration and Control Framework for Real Time Data Acquisition Systems

by Nick Karcher (IPE)

Tuesday Nov 17, 2020, 11:00 AM → 11:45 AM Europe/Berlin

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Seminarvortrag zum von Nick Karcher zum Thema Vielseitiges Konfigurations- und Steuerungssystem für Echtzeit-Datenerfassungssysteme

In modernen Physikexperimenten werden häufig FPGA-basierte Systeme zur Echtzeit-Datenerfassung eingesetzt. Integrierte analoge Elektronik erfordert komplexe Kalibrierungsroutinen. Darüber hinaus ist eine vielseitige Konfiguration und Steuerung des gesamten Systems eine Schlüsselanforderung. Neben einer Low-Level-Registerschnittstelle zum FPGA ist oft auch der Zugriff auf I2C- und SPI-Busse erforderlich, um das Gesamtsystem zu konfigurieren. Die Kalibrierung durch ein FPGA ist unflexibel und führt zu einer komplexen Hardware-Implementierung. Die Kalibrierung durch ein entferntes System löst dieses Problem, ist aber aufgrund der wiederholten Netzwerkzugriffe wesentlich langsamer. Durch die Verwendung von SoC-FPGA-Lösungen mit einem Mikroprozessor können anspruchsvollere Konfigurations- und Kalibrierungslösungen sowie Standard-Fernzugriffsprotokolle effizient in Software integriert werden.
Basierend auf Xilinx Zynq US+ SoC-FPGAs haben wir ein universelles Kontroll-Framework implementiert. Dieses Software-Framework bietet einen bequemen Zugriff auf die Hardware und eine flexible Abstraktion über Remote-Procedure-Calls (RPCs). Basierend auf der Open-Source-RPC-Bibliothek gRPC kann einem Client über Ethernet Funktionalität mit niedrig latenten Kontrollflüssen, komplexen Algorithmen, Datenkonvertierung und -verarbeitung sowie Konfiguration über externe Busse zur Verfügung gestellt werden. Darüber hinaus können Clientschnittstellen für verschiedene Programmiersprachen automatisch generiert werden, was die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Arbeitsgruppen und die Integration in bestehende Software erleichtert. Dieser Beitrag stellt das Framework sowie Benchmarks bezüglich Latenz und Datendurchsatz vor.

Vortragssprache: Englisch

 

Seminartalk from Nick Karcher on the Topic Versatile Configuration and Control Framework for Real Time Data Acquisition Systems

Modern physics experiments often utilize FPGA-based systems for real-time data acquisition. Integrated analog electronics demand for complex calibration routines. Furthermore, versatile configuration and control of the whole system is a key requirement. Beside low-level register interface to the FPGA, also access to I2C and SPI buses is often needed to configure the complete system. Calibration through an FPGA is inflexible and yields a complex hardware implementation. On the contrary, calibration through a remote system is possible but considerably slower due to repetitive network accesses. By using SoC-FPGA solutions with a microprocessor, more sophisticated configuration and calibration solutions, as well as standard remote access protocols, can be efficiently integrated in software.
Based on Xilinx Zynq US+ SoC-FPGAs, we implemented a versatile control framework. This software framework offers a convenient access to the hardware and a flexible abstraction via remote-procedure calls (RPCs). Based on the open source RPC library gRPC, functionality with low-latent control flow, complex algorithms, data conversions and processing, as well as configuration via external buses can be provided to a client via Ethernet. Furthermore, client interfaces for various programming languages can be generated automatically which eases collaboration among different working groups and integration into existing software. This contribution presents the framework as well as benchmarks regarding latency and data throughput.

 

Lecture Language: English