Pre-validation of SoC via hardware and software co-simulation

Abstract. System-on-chips (SoCs) are complex entities consisting of multiple hardware and software components. This complexity presents challenges in their design, verification, and validation. Traditional verification processes often test hardware models in isolation until late in the development cycle. As a result, cooperation between hardware and software development is also limited, slowing down bug detection and fixing. This thesis aims to develop, implement, and evaluate a co-simulation-based pre-validation methodology to address these challenges. The approach allows for the early integration of hardware and software, serving as a natural intermediate step between traditional hardware model verification and full system validation. The co-simulation employs a QEMU CPU emulator linked to a register-transfer level (RTL) hardware model. This setup enables the execution of software components, such as device drivers, on the target instruction set architecture (ISA) alongside cycle-accurate RTL hardware models. The thesis focuses on two primary applications of co-simulation. Firstly, it allows software unit tests to be run in conjunction with hardware models, facilitating early communication between device drivers, low-level software, and hardware components. Secondly, it offers an environment for using software in functional hardware verification. A significant advantage of this approach is the early detection of integration errors. Software unit tests can be executed at the IP block level with actual hardware models, a task previously only possible with costly system-level prototypes. This enables earlier collaboration between software and hardware development teams and smoothens the transition to traditional system-level validation techniques.Järjestelmäpiirin esivalidointi laitteiston ja ohjelmiston yhteissimulaatiolla. Tiivistelmä. Järjestelmäpiirit (SoC) ovat monimutkaisia kokonaisuuksia, jotka koostuvat useista laitteisto- ja ohjelmistokomponenteista. Tämä monimutkaisuus asettaa haasteita niiden suunnittelulle, varmennukselle ja validoinnille. Perinteiset varmennusprosessit testaavat usein laitteistomalleja eristyksissä kehityssyklin loppuvaiheeseen saakka. Tämän myötä myös yhteistyö laitteisto- ja ohjelmistokehityksen välillä on vähäistä, mikä hidastaa virheiden tunnistamista ja korjausta. Tämän diplomityön tavoitteena on kehittää, toteuttaa ja arvioida laitteisto-ohjelmisto-yhteissimulointiin perustuva esivalidointimenetelmä näiden haasteiden ratkaisemiseksi. Menetelmä mahdollistaa laitteiston ja ohjelmiston varhaisen integroinnin, toimien luonnollisena välietappina perinteisen laitteistomallin varmennuksen ja koko järjestelmän validoinnin välillä. Yhteissimulointi käyttää QEMU suoritinemulaattoria, joka on yhdistetty rekisterinsiirtotason (RTL) laitteistomalliin. Tämä mahdollistaa ohjelmistokomponenttien, kuten laiteajureiden, suorittamisen kohdejärjestelmän käskysarja-arkkitehtuurilla (ISA) yhdessä kellosyklitarkkojen RTL laitteistomallien kanssa. Työ keskittyy kahteen yhteissimulaation pääsovellukseen. Ensinnäkin se mahdollistaa ohjelmiston yksikkötestien suorittamisen laitteistomallien kanssa, varmistaen kommunikaation laiteajurien, matalan tason ohjelmiston ja laitteistokomponenttien välillä. Toiseksi se tarjoaa ympäristön ohjelmiston käyttämiseen toiminnallisessa laitteiston varmennuksessa. Merkittävä etu tästä lähestymistavasta on integraatiovirheiden varhainen havaitseminen. Ohjelmiston yksikkötestejä voidaan suorittaa jo IP-lohkon tasolla oikeilla laitteistomalleilla, mikä on aiemmin ollut mahdollista vain kalliilla järjestelmätason prototyypeillä. Tämä mahdollistaa aikaisemman ohjelmisto- ja laitteistokehitystiimien välisen yhteistyön ja helpottaa siirtymistä perinteisiin järjestelmätason validointimenetelmiin

The COMPLEX reference framework for HW/SW co-design and power management supporting platform-based design-space exploration

n/

大規模システムLSI設計のための統一的ハードウェア・ソフトウェア協調検証手法

Currently, the complexity of embedded LSI system is growing faster than the productivity of system design. This trend results in a design productivity gap, particularly in tight development time. Since the verification task takes bigger part of development task, it becomes a major challenge in LSI system design. In order to guarantee system reliability and quality of results (QoR), verifying large coverage of system functionality requires huge amount of relevant test cases and various scenario of evaluations. To overcome these problems, verification methodology is evolving toward supporting higher level of design abstraction by employing HW-SW co-verification. In this study, we present a novel approach for verification LSI circuit which is called as unified HW/SW co-verification framework. The study aims to improve design efficiency while maintains implementation consistency in the point of view of system-level performance. The proposed data-driven simulation and flexible interface of HW and SW design become the backbone of verification framework. In order to avoid time consuming, prone error, and iterative design spin-off in a large team, the proposed framework has to support multiple design abstractions. Hence, it can close the loop of design, exploration, optimization, and testing. Furthermore, the proposed methodology is also able to co-operate with system-level simulation in high-level abstraction, which is easy to extend for various applications and enables fast-turn around design modification. These contributions are discussed in chapter 3. In order to show the effectiveness and the use-cases of the proposed verification framework, the evaluation and metrics assessments of Very High Throughput wireless LAN system design are carried out. Two application examples are provided. The first case in chapter 4 is intended for fast verification and design exploration of large circuit. The Maximum Likelihood Detection (MLD) MIMO decoder is considered as Design Under Test (DUT). The second case, as presented in chapter 5, is the evaluation for system-level simulation. The full transceiver system based on IEEE 802.11ac standard is employed as DUT. Experimental results show that the proposed verification approach gives significant improvements of verification time (e.g. up to 10,000 times) over the conventional scheme. The proposed framework is also able to support various schemes of system level evaluations and cross-layer evaluation of wireless system.九州工業大学博士学位論文 学位記番号：情工博甲第328号 学位授与年月日：平成29年6月30日1 Introduction|2 Design and Verification in LSI System Design|3 Unified HW/SW Co-verification Methodology|4 Fast Co-verification and Design Exploration in Complex Circuits|5 Unified System Level Simulator for Very High Throughput Wireless Systems|6 Conclusion and Future Work九州工業大学平成29年

How Aerospace and Transportation Design Challenges can be addressed from Simulation-based Virtual Prototyping for Distributed Safety Critical Automotive Applications

International audienceThe reduction of development and product costs for distributed and software dominated safety-critical automotive applications can only be achieved via novel methodologies and tool sets that address fault injection/analysis and integration testing via simulation-based virtual prototyping. In fact, earlier discovery of design errors and initial proof of safety in critical conditions should be addressed earlier using a system virtual prototype, before hardware and software implementations are available. In this paper, we propose a methodology that allows evaluating fault-tolerant system architectures in the presence of errors caused by faults of hardware elements or interferences. We illustrate how the paradigm shift from physical to virtual integration platforms can be applied to Aerospace and Transportation domains effectively

Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

Technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisationof society, impacting on economic, political, cultural and socialdimensions. At the peak of this realization, today, more and more everydaydevices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The futureholds the full connection and interaction of IT and communications systemsto the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offeringmeta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomoustransportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamicallyevolving market, computer engineers are required to implement computingplatforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover awide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliabilityand reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical andconstruction constraints. This thesis aims to address these design challenges bydeveloping methodologies and hardware/software co-design tools that enable therapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specifyoperating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesispresents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurableand application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architecturaltemplates for processing and communication acceleration and c) efficient multiobjectivesynthesis techniques both at high abstraction level of programming andphysical silicon level.Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodologyemploys virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reducesimulation time. An extension of this framework introduces the systemicco-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediateplatforms. Thus, the development cycle of a hardware/software productis accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop.Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correctiontechniques of design errors, as well as control methods of performancemetrics of the system according to the desired specifications, during all phasesof the system development. In orthogonal correlation with the aforementionedmethodological framework, a new architectural template is proposed, aiming atbridging the gap between design complexity and technological productivity usingspecialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and networkon-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardwareaccelerators and their respective programming software, including the tasks allocationto the available resources of the system/network. The introduced frameworkprovides implementation techniques for the accelerators, using either conventionalprogramming flows with hardware description language or abstract programmingmodel flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is providedthe option of systemic measures optimization, such as the processing speed,the throughput, the reliability, the power consumption and the design silicon area.Finally, on addressing the increased complexity in design tools of reconfigurablesystems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algo-rithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain natureof multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce theplacement time, while by simultaneously grouping the applications based on theirintrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively.The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodologyflows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applicationsfrom typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia andarithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, suchas a computer vision system for autonomous robotic space navigation and manyacceleratorsystems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthenthe belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to addresscomplex modern - and projected future - design challenges.Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έθεσαν τα θεμέλια εδραίωσης της πληροφοριοποίησης της κοινωνίας, επιδρώντας σε οικονομικές,πολιτικές, πολιτιστικές και κοινωνικές διαστάσεις. Στο απόγειο αυτής τη ςπραγμάτωσης, σήμερα, ολοένα και περισσότερες καθημερινές συσκευές συνδέονται στο παγκόσμιο ιστό, αποδίδοντας τον όρο «Ίντερνετ των πραγμάτων».Το μέλλον επιφυλάσσει την πλήρη σύνδεση και αλληλεπίδραση των συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών με τον φυσικό κόσμο, οριοθετώντας τη μετάβαση στα συστήματα φυσικού κυβερνοχώρου και προσφέροντας μεταυπηρεσίες στον φυσικό κόσμο όπως προσωποποιημένη ιατρική περίθαλψη, αυτόνομες μετακινήσεις, έξυπνες ενεργειακά πόλεις κ.α. . Σκιαγραφώντας τις ανάγκες αυτής της δυναμικά εξελισσόμενης αγοράς, οι μηχανικοί υπολογιστών καλούνται να υλοποιήσουν υπολογιστικές πλατφόρμες που αφενός ενσωματώνουν αυξημένη συστημική πολυπλοκότητα και αφετέρου καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μεταχαρακτηριστικών, όπως λ.χ. το κόστος σχεδιασμού, ο χρόνος σχεδιασμού, η αξιοπιστία και η επαναχρησιμοποίηση, τα οποία προδιαγράφονται από ένα αντικρουόμενο σύνολο λειτουργικών, τεχνολογικών και κατασκευαστικών περιορισμών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των παραπάνω σχεδιαστικών προκλήσεων, μέσω της ανάπτυξης μεθοδολογιών και εργαλείων συνσχεδίασης υλικού/λογισμικού που επιτρέπουν την ταχεία υλοποίηση καθώς και την αποδοτική σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων, οι οποίες προδιαγράφουν τα μετα-χαρακτηριστικά λειτουργίας που απαιτεί η σύγχρονη αγορά. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, παρουσιάζονται α) μεθοδολογίες επιτάχυνσης της ροής σχεδιασμού τόσο για επαναδιαμορφούμενες όσο και για εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές, β) ετερογενή αδρομερή αρχιτεκτονικά πρότυπα επιτάχυνσης επεξεργασίας και επικοινωνίας και γ) αποδοτικές τεχνικές πολυκριτηριακής σύνθεσης τόσο σε υψηλό αφαιρετικό επίπεδο προγραμματισμού,όσο και σε φυσικό επίπεδο πυριτίου.Αναφορικά προς την επιτάχυνση της ροής σχεδιασμού, προτείνεται μια μεθοδολογία που χρησιμοποιεί εικονικές πλατφόρμες, οι οποίες αφαιρώντας τις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες καταφέρνουν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο εξομοίωσης. Παράλληλα, εισηγείται η συστημική συν-εξομοίωση με τη χρήση επαναδιαμορφούμενων πλατφορμών, ως μέσων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο, ο κύκλος ανάπτυξης ενός προϊόντος υλικού, μετατεθειμένος από την κάθετη σειριακή ροή σε έναν κυκλικό αλληλεπιδραστικό βρόγχο, καθίσταται ταχύτερος, ενώ οι δυνατότητες προσομοίωσης εμπλουτίζονται με αποδοτικότερες μεθόδους εντοπισμού και διόρθωσης σχεδιαστικών σφαλμάτων, καθώς και μεθόδους ελέγχου των μετρικών απόδοσης του συστήματος σε σχέση με τις επιθυμητές προδιαγραφές, σε όλες τις φάσεις ανάπτυξης του συστήματος. Σε ορθογώνια συνάφεια με το προαναφερθέν μεθοδολογικό πλαίσιο, προτείνονται νέα αρχιτεκτονικά πρότυπα που στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της τεχνολογικής παραγωγικότητας, με τη χρήση συστημάτων εξειδικευμένων επιταχυντών υλικού σε ετερογενή συστήματα-σε-ψηφίδα καθώς και δίκτυα-σε-ψηφίδα. Παρουσιάζεται κατάλληλη μεθοδολογία συν-σχεδίασης των επιταχυντών υλικού και του λογισμικού προκειμένου να αποφασισθεί η κατανομή των εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του συστήματος/δικτύου. Το μεθοδολογικό πλαίσιο προβλέπει την υλοποίηση των επιταχυντών είτε με συμβατικές μεθόδους προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού είτε με αφαιρετικό προγραμματιστικό μοντέλο με τη χρήση τεχνικών υψηλού επιπέδου σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση, δίδεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή για βελτιστοποίηση συστημικών μετρικών, όπως η ταχύτητα επεξεργασίας, η ρυθμαπόδοση, η αξιοπιστία, η κατανάλωση ενέργειας και η επιφάνεια πυριτίου του σχεδιασμού. Τέλος, προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αυξημένη πολυπλοκότητα στα σχεδιαστικά εργαλεία επαναδιαμορφούμενων συστημάτων, προτείνονται νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τους σύγχρονους πολυπύρηνους επεξεργαστές και την αδρομερή φύση των πολυνηματικών περιβαλλόντων προγραμματισμού (π.χ. OpenMP), μειώνουν το χρόνο επίλυσης του προβλήματος της τοποθέτησης των λογικών πόρων σε φυσικούς,ενώ ταυτόχρονα, ομαδοποιώντας τις εφαρμογές βάση των εγγενών χαρακτηριστικών τους, διερευνούν αποτελεσματικότερα το χώρο σχεδίασης.Η αποδοτικότητά των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών προτύπων και μεθοδολογιών επαληθεύτηκε σε σχέση με τις υφιστάμενες λύσεις αιχμής τόσο σε αυτοτελής εφαρμογές, όπως η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα πολυμέσα και τα προβλήματα αριθμητικής πολυπλοκότητας, καθώς και σε συστημικά ετερογενή περιβάλλοντα, όπως ένα σύστημα όρασης υπολογιστών για αυτόνομα διαστημικά ρομποτικά οχήματα και ένα σύστημα πολλαπλών επιταχυντών υλικού για σταθμούς εργασίας και κέντρα δεδομένων, στοχεύοντας εφαρμογές υψηλής υπολογιστικής απόδοσης (HPC). Τα αποτελέσματα ενισχύουν την πεποίθηση του γράφοντα, ότι η παρούσα διατριβή παρέχει ανταγωνιστική τεχνογνωσία για την αντιμετώπιση των πολύπλοκων σύγχρονων και προβλεπόμενα μελλοντικών σχεδιαστικών προκλήσεων

The review of heterogeneous design frameworks/Platforms for digital systems embedded in FPGAs and SoCs

Systems-on-a-chip integrate specialized modules to provide well-defined functionality. In order to guarantee its efficiency, designersare careful to choose high-level electronic components. In particular,FPGAs (field-programmable gate array) have demonstrated theirability to meet the requirements of emerging technology. However,traditional design methods cannot keep up with the speed andefficiency imposed by the embedded systems industry, so severalframeworks have been developed to simplify the design process of anelectronic system, from its modeling to its physical implementation.This paper illustrates some of them and presents a comparative studybetween them. Indeed, we have selected design methods of SoC(ESP4ML and HLS4ML, OpenESP, LiteX, RubyRTL, PyMTL,SysPy, PyRTL, DSSoC) and NoC networks on OCN chip (PyOCN)and in general on FPGA (PRGA, OpenFPGA, AnyHLS, PYNQ, andPyLog).The objective of this article is to analyze each tool at several levelsand to discuss the benefit of each in the scientific community. Wewill analyze several aspects constituting the architecture and thestructure of the platforms to make a comparative study of thehardware and software design flows of digital systems.

High-Level Design for Ultra-Fast Software Defined Radio Prototyping on Multi-Processors Heterogeneous Platforms

International audienceThe design of Software Defined Radio (SDR) equipments (terminals, base stations, etc.) is still very challenging. We propose here a design methodology for ultra-fast prototyping on heterogeneous platforms made of GPPs (General Purpose Processors), DSPs (Digital Signal Processors) and FPGAs (Field Programmable Gate Array). Lying on a component-based approach, the methodology mainly aims at automating as much as possible the design from an algorithmic validation to a multi-processing heterogeneous implementation. The proposed methodology is based on the SynDEx CAD design approach, which was originally dedicated to multi-GPPs networks. We show how this was changed so that it is made appropriate with an embedded context of DSP. The implication of FPGAs is then addressed and integrated in the design approach with very little restrictions. Apart from a manual HW/SW partitioning, all other operations may be kept automatic in a heterogeneous processing context. The targeted granularity of the components, which are to be assembled in the design flow, is roughly the same size as that of a FFT, a filter or a Viterbi decoder for instance. The re-use of third party or pre-developed IPs is a basis for this design approach. Thanks to the proposed design methodology it is possible to port "ultra" fast a radio application over several platforms. In addition, the proposed design methodology is not restricted to SDR equipment design, and can be useful for any real-time embedded heterogeneous design in a prototyping context

Ravenscar computational model compliant AADL simulation on LEON2

AADL has been proposed for designing and analyzing SW and HW architectures for real-time mission-critical embedded systems. Although the Behavioral Annex improves its simulation semantics, AADL is a language for analyzing architectures and not for simulating them. AADS-T is an AADL simulation tool that supports the performance analysis of the AADL specification throughout the refinement process from the initial system architecture until the complete, detailed application and execution platform are developed. In this way, AADS-T enables the verification of the initial timing constraints during the complete design process. In this paper we focus on the compatibility of AADS-T with the Ravenscar Computational Model (RCM) as part of the TASTE toolset. Its flexibility enables AADS-T to support different processors. In this work we have focused on performing the simulation on a LEON2 processor.This work has been supported by ESTEC 22810/09/NL/JK HW-SW CODESIGN Project contracted to GMV Aerospace and Defence S.A.U