Implementation of Bus-Based and NoC-Based MP3 Decoders on FPGA

The trend of modern System-on-Chip (SoC) design is increasing in size and number of Processing Elements (PE) for various and general purpose tasks. Emergence of Field Programmable Gate Array (FPGA) into the world of technology has lowered the limitations faced by Application Specific Integrated Circuit (ASIC) design. FPGA has a less timeto- market and is a perfect candidate for prototyping purposes due to the flexibility they create for the design and this is the key feature of the FPGA technology. Technology advancements have introduced reconfiguration concepts which increase the flexibility of FPGA designs more. One method to improve SoC's performance is to adopt a sophi sticated communication medium between PEs to achieve a high throughput. Bus architecture has been improved to meet the requirements of high-performance SoCs, however, its inherently poor scalability limjts their enhancement. The Network-on-Chip (NoC) design paradigm has emerged to overcome the scalability limitations of point-to-point and bus communkation. This thesis presents an investigation towards NoC versus bus based implementation of an SoC. An MP3 decoder has been selected as an application to be implemented on the proposed design. The final design in the thes is demonstrated that the NoC based MP3 decoder achieves a 14% faster clock frequency and real time operation with the NoC based design decode an MP3 frame on average in 10% less time that the bus based MP3 decoder

Exploring Task Mappings on Heterogeneous MPSoCs using a Bias-Elitist Genetic Algorithm

Exploration of task mappings plays a crucial role in achieving high performance in heterogeneous multi-processor system-on-chip (MPSoC) platforms. The problem of optimally mapping a set of tasks onto a set of given heterogeneous processors for maximal throughput has been known, in general, to be NP-complete. The problem is further exacerbated when multiple applications (i.e., bigger task sets) and the communication between tasks are also considered. Previous research has shown that Genetic Algorithms (GA) typically are a good choice to solve this problem when the solution space is relatively small. However, when the size of the problem space increases, classic genetic algorithms still suffer from the problem of long evolution times. To address this problem, this paper proposes a novel bias-elitist genetic algorithm that is guided by domain-specific heuristics to speed up the evolution process. Experimental results reveal that our proposed algorithm is able to handle large scale task mapping problems and produces high-quality mapping solutions in only a short time period.Comment: 9 pages, 11 figures, uses algorithm2e.st

SOLID-STATE MP3 PLAYER

The topic for the Final Year Research Project (FYP) is "Solid-State MP3 Player". A solid-state memory is introduced here to replace the existing compact disc that is used to store data. The project requires a microcontroller-based interface circuit to control the player. A simple block diagram of a complete player basically consists of • A solid-state memory to store data. • Initialize the storage into the mode oftransferring the files. • The microcontroller that control the data transfer between storage and microcontroller. i. Data transfer to storage, ii. Data transfer from storage. • A decoder to run a decompression algorithm that undoes the compression of the MP3 file and then a digital-to-analog converter turns the bytes back into waves. • An amplifier to boost the strength of the signal and sends it to the audio port, where a pair of speakers is connected. The project mainly covers the manipulation of programming language to implement the routines in the microcontroller

Modeling Resolution of Resources Contention in Synchronous Data Flow Graphs

Synchronous Data Flow graphs are widely adopted in the designing of streaming applications, but were originally formulated to describe only how an application is partitioned and which data are exchanged among different tasks. Since Synchronous Data Flow graphs are often used to describe and evaluate complete design solutions, missing information (e.g., mapping, scheduling, etc.) has to be included in them by means of further actors and channels to obtain accurate evaluations. To address this issue preserving the simplicity of the representation, techniques that model data transfer delays by means of ad-hoc actors have been proposed, but they model independently each communication ignoring contentions. Moreover, they do not usually consider at all delays due to buffer contentions, potentially overestimating the throughput of a design solution. In this paper a technique to extend Synchronous Data Flow graphs by adding ad-hoc actors and channels to model resolution of resources contentions is proposed. The results show that the number of added actors and channels is limited but that they can significantly increase the Synchronous Data Flow graph accuracy

Modeling, Analysis, and Hard Real-time Scheduling of Adaptive Streaming Applications

In real-time systems, the application's behavior has to be predictable at compile-time to guarantee timing constraints. However, modern streaming applications which exhibit adaptive behavior due to mode switching at run-time, may degrade system predictability due to unknown behavior of the application during mode transitions. Therefore, proper temporal analysis during mode transitions is imperative to preserve system predictability. To this end, in this paper, we initially introduce Mode Aware Data Flow (MADF) which is our new predictable Model of Computation (MoC) to efficiently capture the behavior of adaptive streaming applications. Then, as an important part of the operational semantics of MADF, we propose the Maximum-Overlap Offset (MOO) which is our novel protocol for mode transitions. The main advantage of this transition protocol is that, in contrast to self-timed transition protocols, it avoids timing interference between modes upon mode transitions. As a result, any mode transition can be analyzed independently from the mode transitions that occurred in the past. Based on this transition protocol, we propose a hard real-time analysis as well to guarantee timing constraints by avoiding processor overloading during mode transitions. Therefore, using this protocol, we can derive a lower bound and an upper bound on the earliest starting time of the tasks in the new mode during mode transitions in such a way that hard real-time constraints are respected.Comment: Accepted for presentation at EMSOFT 2018 and for publication in IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems (TCAD) as part of the ESWEEK-TCAD special issu

Process-variation aware mapping of real-time streaming applications to MPSoCs for improved yield

Abstract—As technology scales, the impact of process variation on the maximum supported frequency (FMAX) of individual cores in a MPSoC becomes more pronounced. Task allocation without variation-aware performance analysis can result in a significant loss in yield, defined as the number of manufactured chips satisfying the application timing requirement. We propose variation-aware task allocation for real-time streaming applica-tions modeled as task graphs. Our solutions are primarily based on the throughput requirement, which is the most important timing requirement in many real-time streaming applications. The three main contributions of this paper are: 1) Using data flow graphs that are well-suited for modeling and analysis of real-time streaming applications, we explicitly model task execution both in terms of clock cycles (which is independent of variation) and seconds (which does depend on the variation of the resource), which we connect by an explicit binding. 2) We present two approaches for optimizing the yield. The approaches give different results at different costs. 3) We present exhaustive and heuristic algorithms that implement the optimization approaches. Our variation-aware mapping algorithms are tested on models of real applications, and are compared to the mapping methods that are unaware of hardware variation. Our results demonstrate yield improvements of up to 50 % with an average of 31%, showing the effectiveness of our approaches. Index Terms—Process variation, Multiprocessor System-on

Predictable mapping of streaming applications on multiprocessors

Het ontwerp van nieuwe consumentenelektronica wordt voortdurend complexer omdat er steeds meer functionaliteit in deze apparaten ge¨integreerd wordt. Een voorspelbaar ontwerptraject is nodig om deze complexiteit te beheersen. Het resultaat van dit ontwerptraject zou een systeem moeten zijn, waarin iedere applicatie zijn eigen taken binnen een strikte tijdslimiet kan uitvoeren, onafhankelijk van andere applicaties die hetzelfde systeem gebruiken. Dit vereist dat het tijdsgedrag van de hardware, de software, evenals hun interactie kan worden voorspeld. Er wordt vaak voorgesteld om een heterogeen multi-processor systeem (MPSoC) te gebruiken in moderne elektronische systemen. Een MP-SoC heeft voor veel applicaties een goede verhouding tussen rekenkracht en energiegebruik. Onchip netwerken (NoCs) worden voorgesteld als interconnect in deze systemen. Een NoC is schaalbaar en het biedt garanties wat betreft de hoeveelheid tijd die er nodig is om gegevens te communiceren tussen verschillende processoren en geheugens. Door het NoC te combineren met een voorspelbare strategie om de processoren en geheugens te delen, ontstaat een hardware platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Om een voorspelbaar systeem te verkrijgen moet ook het tijdsgedrag van een applicatie die wordt uitgevoerd op het platform voorspelbaar en analyseerbaar zijn. Het Synchronous Dataflow (SDF) model is erg geschikt voor het modelleren van applicaties die werken met gegevensstromen. Het model kan vele ontwerpbeslissingen modelleren en het is mogelijk om tijdens het ontwerptraject het tijdsgedrag van het systeem te analyseren. Dit proefschrift probeert om applicaties die gemodelleerd zijn met SDF grafen op een zodanige manier af te beelden op een NoC-gebaseerd MP-SoC, dat garanties op het tijdsgedrag van individuele applicaties gegeven kunnen worden. De doorstroomsnelheid van een applicatie is vaak een van de belangrijkste eisen bij het ontwerpen van systemen voor applicaties die werken met gegevensstromen. Deze doorstroomsnelheid wordt in hoge mate be¨invloed door de beschikbare ruimte om resultaten (gegevens) op te slaan. De opslagruimte in een SDF graaf wordt gemodelleerd door de pijlen in de graaf. Het probleem is dat er een vaste grootte voor de opslagruimte aan de pijlen van een SDF graaf moet worden toegewezen. Deze grootte moet zodanig worden gekozen dat de vereiste doorstroomsnelheid van het systeem gehaald wordt, terwijl de benodigde opslagruimte geminimaliseerd wordt. De eerste belangrijkste bijdrage van dit proefschrift is een techniek om de minimale opslagruimte voor iedere mogelijke doorstroomsnelheid van een applicatie te vinden. Ondanks de theoretische complexiteit van dit probleem presteert de techniek in praktijk goed. Doordat de techniek alle mogelijke minimale combinaties van opslagruimte en doorstroomsnelheid vindt, is het mogelijk om met situaties om te gaan waarin nog niet alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. De ontwerpbeslissingen om twee taken van een applicatie op ´e´en processor uit te voeren, zou bijvoorbeeld de doorstroomsnelheid kunnen be¨invloeden. Hierdoor is er een onzekerheid in het begin van het ontwerptraject tussen de berekende doorstroomsnelheid en de doorstroomsnelheid die daadwerkelijk gerealiseerd kan worden als alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. Tijdens het ontwerptraject moeten de taken waaruit een applicatie is opgebouwd toegewezen worden aan de verschillende processoren en geheugens in het systeem. Indien meerdere taken een processor delen, moet ook de volgorde bepaald worden waarin deze taken worden uitgevoerd. Een belangrijke bijdrage van dit proefschrift is een techniek die deze toewijzing uitvoert en die de volgorde bepaalt waarin taken worden uitgevoerd. Bestaande technieken kunnen alleen omgaan met taken die een ´e´en-op-´e´en relatie met elkaar hebben, dat wil zeggen, taken die een gelijk aantal keren uitgevoerd worden. In een SDF graaf kunnen ook complexere relaties worden uitgedrukt. Deze relaties kunnen omgeschreven worden naar een ´e´en-op-´e´en relatie, maar dat kan leiden tot een exponenti¨ele groei van het aantal taken in de graaf. Hierdoor kan het onmogelijk worden om in een beperkte tijd alle taken aan de processoren toe te wijzen en om de volgorde te bepalen waarin deze taken worden uitgevoerd. De techniek die in dit proefschrift wordt gepresenteerd, kan omgaan met de complexe relaties tussen taken in een SDF graaf zonder de vertaling naar de ´e´en-op-´e´en relaties te maken. Dit is mogelijk dankzij een nieuwe, effici¨ente techniek om de doorstroomsnelheid van SDF grafen te bepalen. Nadat de taken van een applicatie toegewezen zijn aan de processoren in het hardware platform moet de communicatie tussen deze taken op het NoC gepland worden. In deze planning moet voor ieder bericht dat tussen de taken wordt verstuurd, worden bepaald welke route er gebruikt wordt en wanneer de communicatie gestart wordt. Dit proefschrift introduceert drie strategie¨en voor het versturen van berichten met een strikte tijdslimiet. Alle drie de strategie¨en maken maximaal gebruik van de beschikbare vrijheid die moderne NoCs bieden. Experimenten tonen aan dat deze strategie¨en hierdoor effici¨enter omgaan met de beschikbare hardware dan bestaande strategie¨en. Naast deze strategie¨en wordt er een techniek gepresenteerd om uit de ontwerpbeslissingen die gemaakt zijn tijdens het toewijzen van taken aan de processoren alle tijdslimieten af te leiden waarbinnen de berichten over het NoC gecommuniceerd moeten worden. Deze techniek koppelt de eerder genoemde techniek voor het toewijzen van taken aan processoren aan de drie strategie¨en om berichten te versturen over het NoC. Tenslotte worden de verschillende technieken die in dit proefschrift worden ge¨introduceerd gecombineerd tot een compleet ontwerptraject. Het startpunt is een SDF graaf die een applicatie modelleert en een NoC-gebaseerd MP-SoC platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Het doel van het ontwerptraject is het op een zodanige manier afbeelden van de applicatie op het platform dat de doorstroomsnelheid van de applicatie gegarandeerd kan worden. Daarnaast probeert het ontwerptraject de hoeveelheid hardware die gebruikt wordt te minimaliseren. Er wordt een experiment gepresenteerd waarin drie verschillende multimedia applicaties (H.263 encoder/decoder en een MP3 decoder) op een NoCgebaseerd MP-SoC worden afgebeeld. Dit experiment toont aan dat de technieken die in dit proefschrift worden voorgesteld, gebruikt kunnen worden voor het ontwerpen van systemen met een voorspelbaar tijdsgedrag. Hiermee is het voorgestelde ontwerptraject het eerste traject dat een met een SDF-gemodelleerde applicatie op een NoC-gebaseerd MP-SoC kan afbeelden, terwijl er garanties worden gegeven over de doorstroomsnelheid van de applicatie

Polymorphic computing abstraction for heterogeneous architectures

Integration of multiple computing paradigms onto system on chip (SoC) has pushed the boundaries of design space exploration for hardware architectures and computing system software stack. The heterogeneity of computing styles in SoC has created a new class of architectures referred to as Heterogeneous Architectures. Novel applications developed to exploit the different computing styles are user centric for embedded SoC. Software and hardware designers are faced with several challenges to harness the full potential of heterogeneous architectures. Applications have to execute on more than one compute style to increase overall SoC resource utilization. The implication of such an abstraction is that application threads need to be polymorphic. Operating system layer is thus faced with the problem of scheduling polymorphic threads. Resource allocation is also an important problem to be dealt by the OS. Morphism evolution of application threads is constrained by the availability of heterogeneous computing resources. Traditional design optimization goals such as computational power and lower energy per computation are inadequate to satisfy user centric application resource needs. Resource allocation decisions at application layer need to permeate to the architectural layer to avoid conflicting demands which may affect energy-delay characteristics of application threads. We propose Polymorphic computing abstraction as a unified computing model for heterogeneous architectures to address the above issues. Simulation environment for polymorphic applications is developed and evaluated under various scheduling strategies to determine the effectiveness of polymorphism abstraction on resource allocation. User satisfaction model is also developed to complement polymorphism and used for optimization of resource utilization at application and network layer of embedded systems