Using Rapid Prototyping in Computer Architecture Design Laboratories

This paper describes the undergraduate computer architecture courses and laboratories introduced at Georgia Tech during the past two years. A core sequence of six required courses for computer engineering students has been developed. In this paper, emphasis is placed upon the new core laboratories which utilize commercial CAD tools, FPGAs, hardware emulators, and a VHDL based rapid prototyping approach to simulate, synthesize, and implement prototype computer hardware

Instruction Set Extension of a Low-End Reconfigurable Microcontroller in Bit-Sorting Implementation

The microcontroller-based system is currently having a tremendous boost with the revelation of platforms such as the Internet of Things. Low-end families of microcontroller architecture are still in demand albeit less technologically advanced due to its better I/O better application and control. However, there is clearly a lack of computational capability of the low-end architecture that will affect the pre-processing stage of the received data. The purpose of this research is to combine the best feature of an 8-bit microcontroller architecture together with the computationally complex operations without incurring extra resources. The modules’ integration is implemented using instruction set architecture (ISA) extension technique and is developed on the Field Programmable Gate Array (FPGA). Extensive simulations were performed with the and a comprehensive methodology is proposed. It was found that the ISA extension from 12-bit to 16-bit has produced a faster execution time with fewer resource utilization when implementing the bit-sorting algorithm. The overall development process used in this research is flexible enough for further investigation either by extending its module to more complex algorithms or evaluating other designs of its components

Automatic Derivation of Abstract Semantics From Instruction Set Descriptions

Abstracted semantics of instructions of processor-based architectures are an invaluable asset for several formal verification techniques, such as software model checking and static analysis. In the field of model checking, abstract versions of instructions can help counter the state explosion problem, for instance by replacing explicit values by symbolic representations of sets of values. Similar to this, static analyses often operate on an abstract domain in order to reduce complexity, guarantee termination, or both. Hence, for a given microcontroller, the task at hand is to find such abstractions. Due to the large number of available microcontrollers, some of which are even created for specific applications, it is impracticable to rely on human developers to perform this step. Therefore, we propose a technique that starts from imperative descriptions of instructions, which allows to automate most of the process

An Early Real-Time Checker for Retargetable Compile-Time Analysis

ABSTRACT With the demand for energy-efficient embedded computing and the rise of heterogeneous architectures, automatically retargetable techniques are likely to grow in importance. On the one hand, retargetable compilers do not handle realtime constraints properly. On the other hand, conventional worst-case execution time (WCET) approaches are not automatically retargetable: measurement-based methods require time-consuming dynamic characterization of target processors, whereas static program analysis and abstract interpretation are performed in a post-compiling phase, being therefore restricted to the set of supported targets. This paper proposes a retargetable technique to grant early realtime checking (ERTC) capabilities for design space exploration. The technique provides a general (minimum, maximum and exact-delay) timing analysis at compile time. It allows the early detection of inconsistent time-constraint combinations prior to the generation of binary executables, thereby promising higher design productivity. ERTC is a complement to state-of-the-art design flows, which could benefit from early infeasiblity detection and exploration of alternative target processors, before the binary executables are submitted to tight-bound BCET and WCET analyses for the selected target processor

Program Semantics in Model-Based WCET Analysis: A State of the Art Perspective

Advanced design techniques of safety-critical applications use specialized development model based methods. Under this setting, the application exists at several levels of description, as the result of a sequence of transformations. On the positive side, the application is developed in a systematic way, while on the negative side, its high-level semantics may be obfuscated when represented at the lower levels. The application should provide certain functional and non-functional guarantees. When the application is a hard real-time program, such guarantees could be deadlines, thus making the computation of worst-case execution time (WCET) bounds mandatory. This paper overviews, in the context of WCET analysis, what are the existing techniques to extract, express and exploit the program semantics along the model-based development workflow

Constraint driven operation assignment for retargetable VLIW compilers

In veel consumenten elektronica producten worden processoren toegepast voor het bewerken van gedigitaliseerde signalen. Deze processoren zijn gewoonlijk ingebed in een systeem en moeten wat rekenkracht, vermogensverbruik en fabricage kosten aan stringente eisen voldoen. Door het optimaliseren van een processor voor een specifieke taak, of een kleine verzameling van taken, kan er aan strengere eisen worden voldaan. Deze specialisatie heeft een grotere diversiteit aan processor types tot gevolg. Door het toepassen van geautomatiseerde processor ontwerp en programmeer systemen wordt er getracht om de ontwikkelkosten in de hand te houden. Een processor kan onder andere geoptimaliseerd worden door het toepassen van een incompleet communicatie netwerk in de processor. Daarnaast is het wenselijk om meerdere register files toe te passen in een processor met een groot aantal parallelle bewerkingseenheden. Deze optimalisaties hebben tot gevolg dat er veel hulp en expertise van programmeur nodig is om hoogwaardige microcode te genereren met behulp van traditionele code generatie technieken in een compiler. Met de in dit proefschrift beschreven code generatie methode is het in veel gevallen wel mogelijk om hoogwaardige microcode volledig automatisch te genereren. Het toepassen van een incompleet netwerk in de processor maakt het toekennen van basis bewerkingen aan bewerkingseenheden een moeilijke taak voor de code generator. Een toekenning moet namelijk zo plaatsvinden dat voor iedere bewerking die uitgevoerd wordt op een bewerkingseenheid er een kanaal in het netwerk van de processor is, dat gebruikt kan worden om het resultaat naar de bewerkingseenheid toe te sturen die de resultaat consumerende bewerking uitvoerd. Dit communicatiekanaal en de bewerkingseenheid moeten tevens op het gewenste tijdstip beschikbaar zijn. In de voorgestelde code generatie methode wordt er gezocht naar een oplossing. Na het nemen van een bewerkings toekenningsbelissing wordt er geanalyseerd welke toekomstige beslissings opties niet tot een oplossing kunnen behoren gegeven de reeds gemaakte beslissingen. Deze gevallen worden verwijderd uit de zoekruimte zodat tijdens toekomstige beslissingen andere toekenningsbeslissingen zullen worden geprobeerd. Indien er gedetecteerd wordt dat er gegeven de gemaakt beslissingen geen oplossing bestaat, dan worden er beslissingen ongedaan gemaakt en andere opties geprobeerd. Het verwijderen van zoveel mogelijk beslissings opties die niet tot een oplossing behoren, verminderd het aantal keer dat er op een beslissing terug gekomen moet worden en de tijd die nodig is om een oplossing te vinden Voor het bewerking aan bewerkingseenheid toekenings probleem wordt er een conflict graaf opgesteld waarin alle opties en combinatie van niet toegestane opties gerepresenteerd worden. Gevallen die zeker niet tot een oplossing behoren worden gevonden met algoritmes die rekentijd effici¨ent zijn. Indien door analyse wordt vastgesteld dat twee bewerkingen op hetzelfde tijdstip uitgevoerd moeten worden dan wordt er een kant in de conflict graaf toegevoegd. Deze kant sluit uit dat deze beide bewerkingen aan dezelfde bewerkingseenheid wordt toegekend. Indien er wordt vast gesteld dat een bewerking op een specifieke bewerkingseenheid moet worden uitgevoerd dan wordt deze informatie gebruikt om nauwkeuriger het tijdsinterval te bepalen waarin de operatie uitgevoerd kan worden. De voorgestelde toekenningstechnieken zijn ge-implementeerd in een prototype codegenerator FACTS. Deze code generator is gekoppeld aan de processor synthese omgeving AjRT-designer. Door het koppelen van FACTS aan AjRT-designer kunnen processoren, die bevroren zijn na synthese, hergeprogrammeerd worden. Deze omgeving is gebruikt om de codegeneratie technieken in FACTS te evalueren voor industrieel relevante applicatie domein specifieke processor ontwerpen. De resultaten tonen aan dat er met deze technieken in veel gevallen microcode gegenereerd kan worden die de opslag capaciteit van de register files en de beschikbare verbindingen in de VLIW-processor respecteert en aan stringente eisen wat betreft de rekentijd voldoet

OTAWA: An Open Toolbox for Adaptive WCET Analysis

International audienceThe analysis of worst-case execution times has become mandatory in the design of hard real-time systems: it is absolutely necessary to know an upper bound of the execution time of each task to determine a task schedule that insures that deadlines will all be met. The OTAWA toolbox presented in this paper has been designed to host algorithms resulting from research in the domain of WCET analysis so that they can be combined to compute tight WCET estimates. It features an abstraction layer that decouples the analyses from the target hardware and from the instruction set architecture, as well as a set of functionalities that facilitate the implementation of new approaches