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Der ATLAS LVL2-Trigger mit FPGA-Prozessoren : Entwicklung, Aufbau und Funktionsnachweis des hybriden FPGA/CPU-basierten Prozessorsystems ATLANTIS

Singpiel, Holger

English Title: The ATLAS LVL2 trigger with FPGA processors : development, implementation and proof of functionality of the hybrid FPGA/CPU based processor system ATLANTIS

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PDF, German
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Abstract

Diese Arbeit beschreibt die Konzeption und Realisierung des hybriden FPGA/CPU-basierten Prozessorsystems ATLANTIS als Triggerprozessor für das geplante ATLAS-Experiment am CERN. Auf der Basis von CompactPCI wird eine enge Verknüpfung zwischen einem Multi-FPGA-System und einer Standard-CPU umgesetzt. Das System ist in der Rechenleistung skalierbar und flexibel nutzbar. Dies wird durch die Aufteilung in spezifische FPGA-Boards für die Algorithmenausführung und I/O-Funktionalität und durch einen integrierten Privat-Bus erreicht. Die Untersuchungen mit dem ATLANTIS-System beziehen sich auf zwei Kernstellen der 2. Triggerstufe (LVL2). Zum einen soll die Ausführung zeitkritischer B-Physik-Triggeralgorithmen beschleunigt werden. Der im Rahmen dieser Arbeit als Funktionsnachweis durchgeführte Benchmark des Full-Scan-TRT-Algorithmus hat gezeigt, daß die Ausführung gegenüber einer Standard-CPU um einen Faktor 5.6 beschleunigt werden kann. Als zweite ATLAS-Anwendung werden mit dem ATLANTIS-System Studien zu den Readout-Systemen durchgeführt. Für Untersuchungen im LVL2-Prototypensystem ist eine dauerhafte Installation des ATLANTIS-Systems am CERN vorgesehen. Der universelle Charakter von ATLANTIS zeigt sich in weiteren Anwendungen, die für das System entwickelt werden und deren Umsetzung im Rahmen dieser Arbeit unterstützt wurde: Das sind Triggeraufgaben bei Experimenten an der GSI/Darmstadt, die beschleunigte Ausführung von 2D/3D-Bildverarbeitungsanwendungen und die Simulation von N-Körper-Systemen in der Astrophysik. Die Anwendungsentwicklung kann mit der standardisierten Hardwarebeschreibungssprache VHDL durchgeführt werden. Alternativ dazu kann die in Mannheim entwickelte Sprache CHDL benutzt werden. Die Entwicklungs-Tools werden durch das ATLANTIS-Betriebssystem ergänzt.

Translation of abstract (English)

This thesis describes the conception and implementation of the hybrid FPGA/CPU based processing system ATLANTIS as trigger processor for the proposed ATLAS experiment at CERN. CompactPCI provides the close coupling of a multi FPGA system and a standard CPU. The system is scalable in computing power and flexible in use due to its partitioning into dedicated FPGA boards for computation, I/O tasks and a private communication. Main focus of the research activities based on the usage of the ATLANTIS system are two areas in the second level trigger (LVL2). First, the acceleration of time critical B physics trigger algorithms is the major aim. The execution of the full scan TRT algorithm on ATLANTIS, which has been used as a demonstrator, results in a speedup of 5.6 compared to a standard CPU. Next, the ATLANTIS system is used as a hardware platform for research work in conjunction with the ATLAS readout systems. For further studies a permanent installation of the ATLANTIS system in the LVL2 application testbed is forseen. The versatility of the system appears in the various applications which are planned or already implemented: These are trigger applications in the field of heavy ions physics experiments at the GSI/Darmstadt, 2D/3D image processing appplications and n-body simulation in astrophysics. Application development for ATLANTIS can be done either by using the standardised hardware description language VHDL. And it is alternatively supported by CHDL, a programming system developed at Mannheim. The ATLANTIS operating system supplements the software tools.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Männer, Prof. Dr. Reinhard
Date of thesis defense: 8. November 2000
Date Deposited: 05. Jan 2001 00:00
Date: 2000
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: ATLAS, Triggerkonzept, Parallelrechner, Prozessbeschleunigung, VHDL
Uncontrolled Keywords: FPGA , TRT , Beschleunigung , hybrid , ATLANTIShigh-speed , reprogrammable , trigger , hybrid , ATLANTIS
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