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The ATLAS ROBIN – A High-Performance Data-Acquisition Module
Kugel, Andreas
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URL:
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https://ub-madoc.bib.uni-mannheim.de/2433
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URN:
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urn:nbn:de:bsz:180-madoc-24337
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Dokumenttyp:
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Dissertation
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Erscheinungsjahr:
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2009
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Titel einer Zeitschrift oder einer Reihe:
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None
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Verlag:
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Universität Mannheim
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Gutachter:
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Männer, Reinhard
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Datum der mündl. Prüfung:
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19 August 2009
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Sprache der Veröffentlichung:
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Englisch
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Einrichtung:
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Fakultät für Wirtschaftsinformatik und Wirtschaftsmathematik > Informatik V (Männer 1992-2008)
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Fachgebiet:
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004 Informatik
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Fachklassifikation:
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CCS:
C.1.3 B.4.2 C.3 J.2 ,
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Normierte Schlagwörter (SWD):
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Field programmable gate array , LHC , EDAS , Datenerfassung , Eingebettetes System
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Freie Schlagwörter (Deutsch):
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ATLAS Experiment
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Freie Schlagwörter (Englisch):
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ATLAS Experiment
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Abstract:
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This work presents the re-configurable processor ROBIN, which is a key element of the data-acquisition-system of the ATLAS experiment, located at the new LHC at CERN. The ATLAS detector provides data over 1600 channels simultaneously towards the DAQ system. The ATLAS dataflow model follows the “PULL” strategy in contrast to the commonly used “PUSH” strategy. The data volume transported is reduced by a factor of 10, however the data must be temporarily stored at the entry to the DAQ system. The input layer consists of approx. 160 ROS read-out units comprising 1 PC and 4 ROBIN modules. Each ROBIN device acquires detector data via 3 input channels and performs local buffering. Board control is done via a 64-bit PCI interface. Event selection and data transmission runs via PCI in the baseline bus-based ROS. Alternatively, a local GE interface can take over part or all of the data traffic in the switch-based ROS, in order to reduce the load on the host PC. The performance of the ROBIN module stems from the close cooperation of a fast embedded processor with a complex FPGA. The efficient task-distribution lets the processor handle all complex management functionality, programmed in “C” while all movement of data is performed by the FPGA via multiple, concurrently operating DMA engines. The ROBIN-project was carried-out by and international team and comprises the design specification, the development of the ROBIN hardware, firmware (VHDL and C-Code), host-code (C++), prototyping, volume production and installation of 700 boards. The project was led by the author of this thesis. The hardware platform is an evolution of a FPGA processor previously designed by the author. He has contributed elementary concepts of the communication mechanisms and the “C”-coded embedded application software. He also organised and supervised the prototype and series productions including the various design reports and presentations. The results show that the ROBIN-module is able to meet its ambitious requirements of 100kHz incoming fragment rate per channel with a concurrent outgoing fragment rate of 21kHz per channel. At the system level, each ROS unit (12 channels) operates at the same rates, however for a subset of the channels only. The ATLAS DAQ system – with 640 ROBIN modules installed – has performed a successful data-taking phase at the start-up of the LHC in September.
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Übersetzter Titel:
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Der ATLAS ROBIN – Eine Hochleistungs-Datenerfassungsbaugruppe
(Deutsch)
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Übersetzung des Abstracts:
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Diese Arbeit beschreibt den re-konfigurierbaren Prozessor ROBIN, der ein Schlüsselelement im Datenerfassungssystem des ATLAS-Experiments des LHC am CERN ist. Der ATLAS Detektor liefert Daten über 1600 Kanäle gleichzeitig an das DAQ System. Im Gegensatz zur üblichen „PUSH“ Strategie für den Datentransport kommt bei ATLAS eine „PULL“ Strategie zur Anwendung, wodurch das zu transportierende Datenvolumen um den Faktor 10 reduziert wird. Dazu müssen die Daten am Eingang des DAQ System zwischengespeichert werden. Die Eingangsstufe nimmt die Daten in 160 ROS Ausleseeinheiten entgegen, die jeweils aus 1 PC mit 4 ROBIN Karten bestehen, jede ROBIN Karte ist wiederum mit 3 Detektorkanälen verbunden. Die Daten werden auf den ROBINs gespeichert. Die Überwachung der Baugruppe geschieht vom PC aus über ein 64-bit PCI Interface. In der Bus-basierten Basisimplementierung des ROS erfolgt die Auswahl und Übertragung der Daten ebenfalls über das PCI Interface. Eine lokale Gigabit-Ethernet Schnittstelle übernimmt in der alternativen Netzwerk-basierten Implementierung einen Teil oder den gesamten Datenverkehr, um den PC zu entlasten. Die hohe Leistungsfähigkeit und Flexibilität des ROBIN ergibt sich aus der Kombination eines schnellen eingebetteten Prozessors mit einem hoch integrierten FPGA. In einer effektiven Aufgabenverteilung bearbeitet der Prozessor alle komplexen Verwaltungsaufgaben, die in „C“ programmiert sind, während das FPGA sämtliche Datenbewegungen mit mehreren, gleichzeitig arbeitenden DMA Einheiten durchführt. Das ROBIN Projekt wurde von einem internationalen Team durchgeführt. Es umfasst die Spezifikation des Designs, die Entwicklung der Hardware und der Firmware (VHDL und C) der ROBIN Baugruppe, PC-Software (in C++) für Ansteuerung, Emulation und Test, Produktion und Test von Prototypen sowie die Serienfertigung und Inbetriebnahme von 700 Baugruppen. Das Projekt wurde unter Leitung des Autors dieser Arbeit durchgeführt. Die Hardwareplattform ist eine Weiterentwicklung eines vom Autor entworfenen FPGA Prozessors. Grundlegende Konzepte der Kommunikationsmechanismen stammen vom Autor, ebenso die „C“-Anwendungssoftware. Ebenfalls wurde die Herstellung der Prototypen und die Serienfertigung inklusive der notwendigen Statusberichte vom Autor vorbereitet und überwacht bzw. durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, das die ROBIN Baugruppe die hohen Leistungsanforderungen von 100kHz Ereignisrate am Eingang bei gleichzeitig 21kHz Abfragerate – jeweils auf allen 3 Kanälen gleichzeitig – erfüllt. Auf Systemebene liegt der Arbeitspunkte für jede normale ROS-Einheit mit 12 Kanälen bei 100kHz Eingangsrate und 21kHz Abfragerate, jedoch nur für einen Teil der Kanäle. Das ATLAS DAQ System mit 640 installierten ROBIN Baugruppen hat den Datenerfassungsbetrieb zum Start des LHC erfolgreich aufgenommen.
(Deutsch)
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