A Problem-Oriented Approach for Dynamic Verification of Heterogeneous Embedded Systems

This work presents a virtual prototyping methodology for the design and verification of industrial devices in the field level of industrial automation systems. This work demonstrates that virtual prototypes can help increase the confidence in the correctness of a design thanks to a deeper understanding of the complex interactions between hardware, software, analog and mixed-signal components of embedded systems and the physical processes they interact with

Proceedings of the 5th International Workshop on Reconfigurable Communication-centric Systems on Chip 2010 - ReCoSoC\u2710 - May 17-19, 2010 Karlsruhe, Germany. (KIT Scientific Reports ; 7551)

ReCoSoC is intended to be a periodic annual meeting to expose and discuss gathered expertise as well as state of the art research around SoC related topics through plenary invited papers and posters. The workshop aims to provide a prospective view of tomorrow\u27s challenges in the multibillion transistor era, taking into account the emerging techniques and architectures exploring the synergy between flexible on-chip communication and system reconfigurability

A Generic Instruction Set Simulator API for Timed and Untimed Simulation and Debug of MP2-SoCs

International audienceThis paper presents a method for designing SystemC-compliant Instruction Set Simulators (ISS) that address three of the major problems system designers are faced with when modeling MP-SoCs architectures: the multiple levels of abstraction of the simulation models supporting the design space exploration, the simulation speed, and the debug of the multithreaded embedded application. First, this paper presents the ISS API and principles; then it describes how the same ISS can support SystemC simulation at several abstraction levels: untimed transaction level, approximately timed transaction level, and cycle accurate; then, it describes how the proposed ISS API has been used by six different laboratories - in the framework of the SoCLib project - to share the same L1 cache simulation model, and to wrap seven different processor cores in the same generic wrappers.Finally we demonstrate how the proposed API has been exploited to develop a generic debug and instrumentation infrastructure that can be used for all the processor cores, and all the abstraction levels supported by the SoCLib virtual prototyping platform

A time-predictable many-core processor design for critical real-time embedded systems

Critical Real-Time Embedded Systems (CRTES) are in charge of controlling fundamental parts of embedded system, e.g. energy harvesting solar panels in satellites, steering and breaking in cars, or flight management systems in airplanes. To do so, CRTES require strong evidence of correct functional and timing behavior. The former guarantees that the system operates correctly in response of its inputs; the latter ensures that its operations are performed within a predefined time budget. CRTES aim at increasing the number and complexity of functions. Examples include the incorporation of \smarter" Advanced Driver Assistance System (ADAS) functionality in modern cars or advanced collision avoidance systems in Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). All these new features, implemented in software, lead to an exponential growth in both performance requirements and software development complexity. Furthermore, there is a strong need to integrate multiple functions into the same computing platform to reduce the number of processing units, mass and space requirements, etc. Overall, there is a clear need to increase the computing power of current CRTES in order to support new sophisticated and complex functionality, and integrate multiple systems into a single platform. The use of multi- and many-core processor architectures is increasingly seen in the CRTES industry as the solution to cope with the performance demand and cost constraints of future CRTES. Many-cores supply higher performance by exploiting the parallelism of applications while providing a better performance per watt as cores are maintained simpler with respect to complex single-core processors. Moreover, the parallelization capabilities allow scheduling multiple functions into the same processor, maximizing the hardware utilization. However, the use of multi- and many-cores in CRTES also brings a number of challenges related to provide evidence about the correct operation of the system, especially in the timing domain. Hence, despite the advantages of many-cores and the fact that they are nowadays a reality in the embedded domain (e.g. Kalray MPPA, Freescale NXP P4080, TI Keystone II), their use in CRTES still requires finding efficient ways of providing reliable evidence about the correct operation of the system. This thesis investigates the use of many-core processors in CRTES as a means to satisfy performance demands of future complex applications while providing the necessary timing guarantees. To do so, this thesis contributes to advance the state-of-the-art towards the exploitation of parallel capabilities of many-cores in CRTES contributing in two different computing domains. From the hardware domain, this thesis proposes new many-core designs that enable deriving reliable and tight timing guarantees. From the software domain, we present efficient scheduling and timing analysis techniques to exploit the parallelization capabilities of many-core architectures and to derive tight and trustworthy Worst-Case Execution Time (WCET) estimates of CRTES.Los sistemas críticos empotrados de tiempo real (en ingles Critical Real-Time Embedded Systems, CRTES) se encargan de controlar partes fundamentales de los sistemas integrados, e.g. obtención de la energía de los paneles solares en satélites, la dirección y frenado en automóviles, o el control de vuelo en aviones. Para hacerlo, CRTES requieren fuerte evidencias del correcto comportamiento funcional y temporal. El primero garantiza que el sistema funciona correctamente en respuesta de sus entradas; el último asegura que sus operaciones se realizan dentro de unos limites temporales establecidos previamente. El objetivo de los CRTES es aumentar el número y la complejidad de las funciones. Algunos ejemplos incluyen los sistemas inteligentes de asistencia a la conducción en automóviles modernos o los sistemas avanzados de prevención de colisiones en vehiculos aereos no tripulados. Todas estas nuevas características, implementadas en software,conducen a un crecimiento exponencial tanto en los requerimientos de rendimiento como en la complejidad de desarrollo de software. Además, existe una gran necesidad de integrar múltiples funciones en una sóla plataforma para así reducir el número de unidades de procesamiento, cumplir con requisitos de peso y espacio, etc. En general, hay una clara necesidad de aumentar la potencia de cómputo de los actuales CRTES para soportar nueva funcionalidades sofisticadas y complejas e integrar múltiples sistemas en una sola plataforma. El uso de arquitecturas multi- y many-core se ve cada vez más en la industria CRTES como la solución para hacer frente a la demanda de mayor rendimiento y las limitaciones de costes de los futuros CRTES. Las arquitecturas many-core proporcionan un mayor rendimiento explotando el paralelismo de aplicaciones al tiempo que proporciona un mejor rendimiento por vatio ya que los cores se mantienen más simples con respecto a complejos procesadores de un solo core. Además, las capacidades de paralelización permiten programar múltiples funciones en el mismo procesador, maximizando la utilización del hardware. Sin embargo, el uso de multi- y many-core en CRTES también acarrea ciertos desafíos relacionados con la aportación de evidencias sobre el correcto funcionamiento del sistema, especialmente en el ámbito temporal. Por eso, a pesar de las ventajas de los procesadores many-core y del hecho de que éstos son una realidad en los sitemas integrados (por ejemplo Kalray MPPA, Freescale NXP P4080, TI Keystone II), su uso en CRTES aún precisa de la búsqueda de métodos eficientes para proveer evidencias fiables sobre el correcto funcionamiento del sistema. Esta tesis ahonda en el uso de procesadores many-core en CRTES como un medio para satisfacer los requisitos de rendimiento de aplicaciones complejas mientras proveen las garantías de tiempo necesarias. Para ello, esta tesis contribuye en el avance del estado del arte hacia la explotación de many-cores en CRTES en dos ámbitos de la computación. En el ámbito del hardware, esta tesis propone nuevos diseños many-core que posibilitan garantías de tiempo fiables y precisas. En el ámbito del software, la tesis presenta técnicas eficientes para la planificación de tareas y el análisis de tiempo para aprovechar las capacidades de paralelización en arquitecturas many-core, y también para derivar estimaciones de peor tiempo de ejecución (Worst-Case Execution Time, WCET) fiables y precisas

Enabling caches in probabilistic timing analysis

Hardware and software complexity of future critical real-time systems challenges the scalability of traditional timing analysis methods. Measurement-Based Probabilistic Timing Analysis (MBPTA) has recently emerged as an industrially-viable alternative technique to deal with complex hardware/software. Yet, MBPTA requires certain timing properties in the system under analysis that are not satisfied in conventional systems. In this thesis, we introduce, for the first time, hardware and software solutions to satisfy those requirements as well as to improve MBPTA applicability. We focus on one of the hardware resources with highest impact on both average performance and Worst-Case Execution Time (WCET) in current real-time platforms, the cache. In this line, the contributions of this thesis follow three different axes: hardware solutions and software solutions to enable MBPTA, and MBPTA analysis enhancements in systems featuring caches. At hardware level, we set the foundations of MBPTA-compliant processor designs, and define efficient time-randomised cache designs for single- and multi-level hierarchies of arbitrary complexity, including unified caches, which can be time-analysed for the first time. We propose three new software randomisation approaches (one dynamic and two static variants) to control, in an MBPTA-compliant manner, the cache jitter in Commercial off-the-shelf (COTS) processors in real-time systems. To that end, all variants randomly vary the location of programs' code and data in memory across runs, to achieve probabilistic timing properties similar to those achieved with customised hardware cache designs. We propose a novel method to estimate the WCET of a program using MBPTA, without requiring the end-user to identify worst-case paths and inputs, improving its applicability in industry. We also introduce Probabilistic Timing Composability, which allows Integrated Systems to reduce their WCET in the presence of time-randomised caches. With the above contributions, this thesis pushes the limits in the use of complex real-time embedded processor designs equipped with caches and paves the way towards the industrialisation of MBPTA technology.La complejidad de hardware y software de los sistemas críticos del futuro desafía la escalabilidad de los métodos tradicionales de análisis temporal. El análisis temporal probabilístico basado en medidas (MBPTA) ha aparecido últimamente como una solución viable alternativa para la industria, para manejar hardware/software complejo. Sin embargo, MBPTA requiere ciertas propiedades de tiempo en el sistema bajo análisis que no satisfacen los sistemas convencionales. En esta tesis introducimos, por primera vez, soluciones hardware y software para satisfacer estos requisitos como también mejorar la aplicabilidad de MBPTA. Nos centramos en uno de los recursos hardware con el máximo impacto en el rendimiento medio y el peor caso del tiempo de ejecución (WCET) en plataformas actuales de tiempo real, la cache. En esta línea, las contribuciones de esta tesis siguen 3 ejes distintos: soluciones hardware y soluciones software para habilitar MBPTA, y mejoras de el análisis MBPTA en sistemas usado caches. A nivel de hardware, creamos las bases del diseño de un procesador compatible con MBPTA, y definimos diseños de cache con tiempo aleatorio para jerarquías de memoria con uno y múltiples niveles de cualquier complejidad, incluso caches unificadas, las cuales pueden ser analizadas temporalmente por primera vez. Proponemos tres nuevos enfoques de aleatorización de software (uno dinámico y dos variedades estáticas) para manejar, en una manera compatible con MBPTA, la variabilidad del tiempo (jitter) de la cache en procesadores comerciales comunes en el mercado (COTS) en sistemas de tiempo real. Por eso, todas nuestras propuestas varían aleatoriamente la posición del código y de los datos del programa en la memoria entre ejecuciones del mismo, para conseguir propiedades de tiempo aleatorias, similares a las logradas con diseños hardware personalizados. Proponemos un nuevo método para estimar el WCET de un programa usando MBPTA, sin requerir que el usuario dentifique los caminos y las entradas de programa del peor caso, mejorando así la aplicabilidad de MBPTA en la industria. Además, introducimos la composabilidad de tiempo probabilística, que permite a los sistemas integrados reducir su WCET cuando usan caches de tiempo aleatorio. Con estas contribuciones, esta tesis empuja los limites en el uso de diseños complejos de procesadores empotrados en sistemas de tiempo real equipados con caches y prepara el terreno para la industrialización de la tecnología MBPTA