Complexity of Scheduling in Synthesizing Hardware from Concurrent Action Oriented Specifications

Concurrent Action Oriented Specifications (CAOS) formalism such as Bluespec Inc.\u27s Bluespec System Verilog (BSV) has been recently shown to be effective for hardware modeling and synthesis. This formalism offers the benefits of automatic handling of concurrency issues in highly concurrent system descriptions, and the associated synthesis algorithms have been shown to produce efficient hardware comparable to those generated from hand-written Verilog/VHDL. These benefits which are inherent in such a synthesis process also aid in faster architectural exploration. This is because CAOS allows a high-level description (above RTL) of a design in terms of atomic transactions, where each transaction corresponds to a collection of operations. Optimal scheduling of such actions in CAOS-based synthesis process is crucial in order to generate hardware that is efficient in terms of area, latency and power. In this paper, we analyze the complexity of the scheduling problems associated with CAOS-based synthesis and discuss several heuristics for meeting the peak power goals of designs generated from CAOS. We also discuss approximability of these problems as appropriate

Representation of synchronous, asynchronous, and polychronous components by clocked guarded actions

International audienceFor the design of embedded systems, many languages are in use, which are based on different models of computation such as event-, data-, and clock-driven paradigms as well as paradigms without a clear notion of time. Systems composed of such heterogeneous components are hard to analyze so that mainly co-simulation by coupling different simulators has been considered so-far. In this article, we propose clocked guarded actions as a unique intermediate representation that can be used as a common basis for simulation, analysis, and synthesis. We show how synchronous, (untimed) asynchronous, and polychronous languages can be translated to clocked guarded actions to demonstrate that our intermediate representation is powerful enough to capture rather different models of computation. Having a unique and composable intermediate representation of these components at hand allows one a simple composition of these components. Moreover, we show how clocked guarded actions can be used for verification by symbolic model checking and simulation by SystemC

Evaluation of the parallel computational capabilities of embedded platforms for critical systems

Modern critical systems need higher performance which cannot be delivered by the simple architectures used so far. Latest embedded architectures feature multi-cores and GPUs, which can be used to satisfy this need. In this thesis we parallelise relevant applications from multiple critical domains represented in the GPU4S benchmark suite, and perform a comparison of the parallel capabilities of candidate platforms for use in critical systems. In particular, we port the open source GPU4S Bench benchmarking suite in the OpenMP programming model, and we benchmark the candidate embedded heterogeneous multi-core platforms of the H2020 UP2DATE project, NVIDIA TX2, NVIDIA Xavier and Xilinx Zynq Ultrascale+, in order to drive the selection of the research platform which will be used in the next phases of the project. Our result indicate that in terms of CPU and GPU performance, the NVIDIA Xavier is the highest performing platform

New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs

Tesis por compendio[EN] Relevance of electronics towards safety of common devices has only been growing, as an ever growing stake of the functionality is assigned to them. But of course, this comes along the constant need for higher performances to fulfill such functionality requirements, while keeping power and budget low. In this scenario, industry is struggling to provide a technology which meets all the performance, power and price specifications, at the cost of an increased vulnerability to several types of known faults or the appearance of new ones. To provide a solution for the new and growing faults in the systems, designers have been using traditional techniques from safety-critical applications, which offer in general suboptimal results. In fact, modern embedded architectures offer the possibility of optimizing the dependability properties by enabling the interaction of hardware, firmware and software levels in the process. However, that point is not yet successfully achieved. Advances in every level towards that direction are much needed if flexible, robust, resilient and cost effective fault tolerance is desired. The work presented here focuses on the hardware level, with the background consideration of a potential integration into a holistic approach. The efforts in this thesis have focused several issues: (i) to introduce additional fault models as required for adequate representativity of physical effects blooming in modern manufacturing technologies, (ii) to provide tools and methods to efficiently inject both the proposed models and classical ones, (iii) to analyze the optimum method for assessing the robustness of the systems by using extensive fault injection and later correlation with higher level layers in an effort to cut development time and cost, (iv) to provide new detection methodologies to cope with challenges modeled by proposed fault models, (v) to propose mitigation strategies focused towards tackling such new threat scenarios and (vi) to devise an automated methodology for the deployment of many fault tolerance mechanisms in a systematic robust way. The outcomes of the thesis constitute a suite of tools and methods to help the designer of critical systems in his task to develop robust, validated, and on-time designs tailored to his application.[ES] La relevancia que la electrónica adquiere en la seguridad de los productos ha crecido inexorablemente, puesto que cada vez ésta copa una mayor influencia en la funcionalidad de los mismos. Pero, por supuesto, este hecho viene acompañado de una necesidad constante de mayores prestaciones para cumplir con los requerimientos funcionales, al tiempo que se mantienen los costes y el consumo en unos niveles reducidos. En este escenario, la industria está realizando esfuerzos para proveer una tecnología que cumpla con todas las especificaciones de potencia, consumo y precio, a costa de un incremento en la vulnerabilidad a múltiples tipos de fallos conocidos o la introducción de nuevos. Para ofrecer una solución a los fallos nuevos y crecientes en los sistemas, los diseñadores han recurrido a técnicas tradicionalmente asociadas a sistemas críticos para la seguridad, que ofrecen en general resultados sub-óptimos. De hecho, las arquitecturas empotradas modernas ofrecen la posibilidad de optimizar las propiedades de confiabilidad al habilitar la interacción de los niveles de hardware, firmware y software en el proceso. No obstante, ese punto no está resulto todavía. Se necesitan avances en todos los niveles en la mencionada dirección para poder alcanzar los objetivos de una tolerancia a fallos flexible, robusta, resiliente y a bajo coste. El trabajo presentado aquí se centra en el nivel de hardware, con la consideración de fondo de una potencial integración en una estrategia holística. Los esfuerzos de esta tesis se han centrado en los siguientes aspectos: (i) la introducción de modelos de fallo adicionales requeridos para la representación adecuada de efectos físicos surgentes en las tecnologías de manufactura actuales, (ii) la provisión de herramientas y métodos para la inyección eficiente de los modelos propuestos y de los clásicos, (iii) el análisis del método óptimo para estudiar la robustez de sistemas mediante el uso de inyección de fallos extensiva, y la posterior correlación con capas de más alto nivel en un esfuerzo por recortar el tiempo y coste de desarrollo, (iv) la provisión de nuevos métodos de detección para cubrir los retos planteados por los modelos de fallo propuestos, (v) la propuesta de estrategias de mitigación enfocadas hacia el tratamiento de dichos escenarios de amenaza y (vi) la introducción de una metodología automatizada de despliegue de diversos mecanismos de tolerancia a fallos de forma robusta y sistemática. Los resultados de la presente tesis constituyen un conjunto de herramientas y métodos para ayudar al diseñador de sistemas críticos en su tarea de desarrollo de diseños robustos, validados y en tiempo adaptados a su aplicación.[CA] La rellevància que l'electrònica adquireix en la seguretat dels productes ha crescut inexorablement, puix cada volta més aquesta abasta una major influència en la funcionalitat dels mateixos. Però, per descomptat, aquest fet ve acompanyat d'un constant necessitat de majors prestacions per acomplir els requeriments funcionals, mentre es mantenen els costos i consums en uns nivells reduïts. Donat aquest escenari, la indústria està fent esforços per proveir una tecnologia que complisca amb totes les especificacions de potència, consum i preu, tot a costa d'un increment en la vulnerabilitat a diversos tipus de fallades conegudes, i a la introducció de nous tipus. Per oferir una solució a les noves i creixents fallades als sistemes, els dissenyadors han recorregut a tècniques tradicionalment associades a sistemes crítics per a la seguretat, que en general oferixen resultats sub-òptims. De fet, les arquitectures empotrades modernes oferixen la possibilitat d'optimitzar les propietats de confiabilitat en habilitar la interacció dels nivells de hardware, firmware i software en el procés. Tot i això eixe punt no està resolt encara. Es necessiten avanços a tots els nivells en l'esmentada direcció per poder assolir els objectius d'una tolerància a fallades flexible, robusta, resilient i a baix cost. El treball ací presentat se centra en el nivell de hardware, amb la consideració de fons d'una potencial integració en una estratègia holística. Els esforços d'esta tesi s'han centrat en els següents aspectes: (i) la introducció de models de fallada addicionals requerits per a la representació adequada d'efectes físics que apareixen en les tecnologies de fabricació actuals, (ii) la provisió de ferramentes i mètodes per a la injecció eficient del models proposats i dels clàssics, (iii) l'anàlisi del mètode òptim per estudiar la robustesa de sistemes mitjançant l'ús d'injecció de fallades extensiva, i la posterior correlació amb capes de més alt nivell en un esforç per retallar el temps i cost de desenvolupament, (iv) la provisió de nous mètodes de detecció per cobrir els reptes plantejats pels models de fallades proposats, (v) la proposta d'estratègies de mitigació enfocades cap al tractament dels esmentats escenaris d'amenaça i (vi) la introducció d'una metodologia automatitzada de desplegament de diversos mecanismes de tolerància a fallades de forma robusta i sistemàtica. Els resultats de la present tesi constitueixen un conjunt de ferramentes i mètodes per ajudar el dissenyador de sistemes crítics en la seua tasca de desenvolupament de dissenys robustos, validats i a temps adaptats a la seua aplicació.Espinosa García, J. (2016). New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/73146TESISCompendi

Computer Science and Technology Series : XV Argentine Congress of Computer Science. Selected papers

CACIC'09 was the fifteenth Congress in the CACIC series. It was organized by the School of Engineering of the National University of Jujuy. The Congress included 9 Workshops with 130 accepted papers, 1 main Conference, 4 invited tutorials, different meetings related with Computer Science Education (Professors, PhD students, Curricula) and an International School with 5 courses. CACIC 2009 was organized following the traditional Congress format, with 9 Workshops covering a diversity of dimensions of Computer Science Research. Each topic was supervised by a committee of three chairs of different Universities. The call for papers attracted a total of 267 submissions. An average of 2.7 review reports were collected for each paper, for a grand total of 720 review reports that involved about 300 different reviewers. A total of 130 full papers were accepted and 20 of them were selected for this book.Red de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI

A Language-centered Approach to support environmental modeling with Cellular Automata

Die Anwendung von Methodiken und Technologien aus dem Bereich der Softwaretechnik auf den Bereich der Umweltmodellierung ist eine gemeinhin akzeptierte Vorgehensweise. Im Rahmen der "modellgetriebenen Entwicklung"(MDE, model-driven engineering) werden Technologien entwickelt, die darauf abzielen, Softwaresysteme vorwiegend auf Basis von im Vergleich zu Programmquelltexten relativ abstrakten Modellen zu entwickeln. Ein wesentlicher Bestandteil von MDE sind Techniken zur effizienten Entwicklung von "domänenspezifischen Sprachen"( DSL, domain-specific language), die auf Sprachmetamodellen beruhen. Die vorliegende Arbeit zeigt, wie modellgetriebene Entwicklung, und insbesondere die metamodellbasierte Beschreibung von DSLs, darüber hinaus Aspekte der Pragmatik unterstützen kann, deren Relevanz im erkenntnistheoretischen und kognitiven Hintergrund wissenschaftlichen Forschens begründet wird. Hierzu wird vor dem Hintergrund der Erkenntnisse des "modellbasierten Forschens"(model-based science und model-based reasoning) gezeigt, wie insbesondere durch Metamodelle beschriebene DSLs Möglichkeiten bieten, entsprechende pragmatische Aspekte besonders zu berücksichtigen, indem sie als Werkzeug zur Erkenntnisgewinnung aufgefasst werden. Dies ist v.a. im Kontext großer Unsicherheiten, wie sie für weite Teile der Umweltmodellierung charakterisierend sind, von grundsätzlicher Bedeutung. Die Formulierung eines sprachzentrierten Ansatzes (LCA, language-centered approach) für die Werkzeugunterstützung konkretisiert die genannten Aspekte und bildet die Basis für eine beispielhafte Implementierung eines Werkzeuges mit einer DSL für die Beschreibung von Zellulären Automaten (ZA) für die Umweltmodellierung. Anwendungsfälle belegen die Verwendbarkeit von ECAL und der entsprechenden metamodellbasierten Werkzeugimplementierung.The application of methods and technologies of software engineering to environmental modeling and simulation (EMS) is common, since both areas share basic issues of software development and digital simulation. Recent developments within the context of "Model-driven Engineering" (MDE) aim at supporting the development of software systems at the base of relatively abstract models as opposed to programming language code. A basic ingredient of MDE is the development of methods that allow the efficient development of "domain-specific languages" (DSL), in particular at the base of language metamodels. This thesis shows how MDE and language metamodeling in particular, may support pragmatic aspects that reflect epistemic and cognitive aspects of scientific investigations. For this, DSLs and language metamodeling in particular are set into the context of "model-based science" and "model-based reasoning". It is shown that the specific properties of metamodel-based DSLs may be used to support those properties, in particular transparency, which are of particular relevance against the background of uncertainty, that is a characterizing property of EMS. The findings are the base for the formulation of an corresponding specific metamodel- based approach for the provision of modeling tools for EMS (Language-centered Approach, LCA), which has been implemented (modeling tool ECA-EMS), including a new DSL for CA modeling for EMS (ECAL). At the base of this implementation, the applicability of this approach is shown

Real-time high-performance computing for embedded control systems

The real-time control systems industry is moving towards the consolidation of multiple computing systems into fewer and more powerful ones, aiming for a reduction in size, weight, and power. The increasing demand for higher performance in other critical domains like autonomous driving has led the industry to recently include embedded GPUs for the implementation of advanced functionalities. The highly parallel architecture of GPUs could also be leveraged in the control systems industry to develop more advanced, energy-efficient, and scalable control systems. However, the closed-source and non-deterministic nature of GPUs complicates the resource provisioning analysis required for the implementation of critical real-time systems. On the other hand, there is no indication of the integration of GPUs in the traditional development cycle of control systems, which is oriented to the use of a model-based design approach. Recently, some model-based design tools vendors have extended their development frameworks with GPU code generation capabilities targeting hybrid computing platforms, so that the model-based design environment now enables the concurrent analysis of more complex and diverse functions by simulation and automating the deployment to the final target. However, there is no indication whether these tools are well-suited for the design and development of time-sensitive systems. Motivated by these challenges, in this thesis, we contribute to the state of the art of real-time control systems towards the adoption of embedded GPUs by providing tools to facilitate the resource provisioning analysis and the integration in the model-based design development cycle. First, we present a methodology and an automated tool to extract the properties of GPU memory allocators. This tool allows the computation of the real amount of memory used by GPU applications, facilitating a correct resource provisioning analysis. Then, we present a library which allows the characterization of the use of dynamic memory in GPU applications. We use this library to characterize GPU benchmarks and we identify memory allocation patterns that could be modified to improve performance and memory consumption when targeting embedded GPUs. Based on these results, we present a tool to optimize the use of dynamic memory in legacy GPU applications executed on embedded platforms. This tool allows us to minimize the memory consumption and memory management overhead of GPU applications without rewriting them. Afterwards, we analyze the timing of control algorithms executed in embedded GPUs and we identify techniques to achieve an acceptable real-time behavior. Finally, we evaluate model-based design tools in terms of integration with GPU hardware and GPU code generation, and we propose improvements for the model-based generated GPU code. Then, we present a source-to-source transformation tool to automatically apply the proposed improvements.La industria de los sistemas de control en tiempo real avanza hacia la consolidación de múltiples sistemas informáticos en menos y más potentes sistemas, con el objetivo de reducir el tamaño, el peso y el consumo. La creciente demanda de un mayor rendimiento en otros dominios críticos, como la conducción autónoma, ha llevado a la industria a incluir recientemente GPU embebidas para la implementación de funcionalidades avanzadas. La arquitectura altamente paralela de las GPU también podría aprovecharse en la industria de los sistemas de control para desarrollar sistemas de control más avanzados, eficientes energéticamente y escalables. Sin embargo, la naturaleza privativa y no determinista de las GPUs complica el análisis de aprovisionamiento de recursos requerido para la implementación de sistemas críticos en tiempo real. Por otro lado, no hay indicios de la integración de las GPU en el ciclo de desarrollo tradicional de los sistemas de control, que está orientado al uso de un enfoque de diseño basado en modelos. Recientemente, algunos proveedores de herramientas de diseño basado en modelos han ampliado sus entornos de desarrollo con capacidades de generación de código de GPU dirigidas a plataformas informáticas híbridas, de modo que el entorno de diseño basado en modelos ahora permite el análisis simultáneo de funciones más complejas y diversas mediante la simulación y la automatización de la implementación para el objetivo final. Sin embargo, no hay indicación de si estas herramientas son adecuadas para el diseño y desarrollo de sistemas sensibles al tiempo. Motivados por estos desafíos, en esta tesis contribuimos al estado del arte de los sistemas de control en tiempo real hacia la adopción de GPUs integradas al proporcionar herramientas para facilitar el análisis de aprovisionamiento de recursos y la integración en el ciclo de desarrollo de diseño basado en modelos. Primero, presentamos una metodología y una herramienta automatizada para extraer las propiedades de los asignadores de memoria en GPUs. Esta herramienta permite el cómputo de la cantidad real de memoria utilizada por las aplicaciones GPU, facilitando un correcto análisis del aprovisionamiento de recursos. Luego, presentamos una librería que permite la caracterización del uso de memoria dinámica en aplicaciones de GPU. Usamos esta librería para caracterizar una serie de benchmarks GPU e identificamos patrones de asignación de memoria que podrían modificarse para mejorar el rendimiento y el consumo de memoria al utilizar GPUs embebidas. Con base en estos resultados, presentamos también una herramienta para optimizar el uso de la memoria dinámica en aplicaciones de GPU heredadas al ser ejecutadas en plataformas embebidas. Esta herramienta nos permite minimizar el consumo de memoria y la sobrecarga de administración de memoria de las aplicaciones GPU sin necesidad de reescribirlas. Posteriormente, analizamos el tiempo de los algoritmos de control ejecutados en GPUs embebidas e identificamos técnicas para lograr un comportamiento de tiempo real aceptable. Finalmente, evaluamos las herramientas de diseño basadas en modelos en términos de integración con hardware GPU y generación de código GPU, y proponemos mejoras para el código GPU generado por las herramientas basadas en modelos. Luego, presentamos una herramienta de transformación de código fuente para aplicar automáticamente al código generado las mejoras propuestas.Postprint (published version

Fourth Annual Workshop on Space Operations Applications and Research (SOAR 90)

The proceedings of the SOAR workshop are presented. The technical areas included are as follows: Automation and Robotics; Environmental Interactions; Human Factors; Intelligent Systems; and Life Sciences. NASA and Air Force programmatic overviews and panel sessions were also held in each technical area

The Third Air Force/NASA Symposium on Recent Advances in Multidisciplinary Analysis and Optimization

The third Air Force/NASA Symposium on Recent Advances in Multidisciplinary Analysis and Optimization was held on 24-26 Sept. 1990. Sessions were on the following topics: dynamics and controls; multilevel optimization; sensitivity analysis; aerodynamic design software systems; optimization theory; analysis and design; shape optimization; vehicle components; structural optimization; aeroelasticity; artificial intelligence; multidisciplinary optimization; and composites