Buffer Capacity Computation for Throughput Constrained Streaming Applications with Data-Dependent Inter-Task Communication

Streaming applications are often implemented as task graphs, in which data is communicated from task to task over buffers. Currently, techniques exist to compute buffer capacities that guarantee satisfaction of the throughput constraint if the amount of data produced and consumed by the tasks is known at design-time. However, applications such as audio and video decoders have tasks that produce and consume an amount of data that depends on the decoded stream. This paper introduces a dataflow model that allows for data-dependent communication, together with an algorithm that computes buffer capacities that guarantee satisfaction of a throughput constraint. The applicability of this algorithm is demonstrated by computing buffer capacities for an H.263 video decoder

Computation of Buffer Capacities for Throughput Constrained and Data Dependent Inter-Task Communication

Streaming applications are often implemented as task graphs. Currently, techniques exist to derive buffer capacities that guarantee satisfaction of a throughput constraint for task graphs in which the inter-task communication is data-independent, i.e. the amount of data produced and consumed is independent of the data values in the processed stream. This paper presents a technique to compute buffer capacities that satisfy a throughput constraint for task graphs with data dependent inter-task communication, given that the task graph is a chain. We demonstrate the applicability of the approach by computing buffer capacities for an MP3 playback application, of which the MP3 decoder has a variable consumption rate. We are not aware of alternative approaches to compute buffer capacities that guarantee satisfaction of the throughput constraint for this application

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

Overview of Swallow --- A Scalable 480-core System for Investigating the Performance and Energy Efficiency of Many-core Applications and Operating Systems

We present Swallow, a scalable many-core architecture, with a current configuration of 480 x 32-bit processors. Swallow is an open-source architecture, designed from the ground up to deliver scalable increases in usable computational power to allow experimentation with many-core applications and the operating systems that support them. Scalability is enabled by the creation of a tile-able system with a low-latency interconnect, featuring an attractive communication-to-computation ratio and the use of a distributed memory configuration. We analyse the energy and computational and communication performances of Swallow. The system provides 240GIPS with each core consuming 71--193mW, dependent on workload. Power consumption per instruction is lower than almost all systems of comparable scale. We also show how the use of a distributed operating system (nOS) allows the easy creation of scalable software to exploit Swallow's potential. Finally, we show two use case studies: modelling neurons and the overlay of shared memory on a distributed memory system.Comment: An open source release of the Swallow system design and code will follow and references to these will be added at a later dat

Predictable embedded multiprocessor architecture for streaming applications

The focus of this thesis is on embedded media systems that execute applications from the application domain car infotainment. These applications, which we refer to as jobs, typically fall in the class of streaming, i.e. they process on a stream of data. The jobs are executed on heterogeneous multiprocessor platforms, for performance and power efficiency reasons. Most of these jobs have firm real-time requirements, like throughput and end-to-end latency. Car-infotainment systems become increasingly more complex, due to an increase in the supported number of jobs and an increase of resource sharing. Therefore, it is hard to verify, for each job, that the realtime requirements are satisfied. To reduce the verification effort, we elaborate on an architecture for a predictable system from which we can verify, at design time, that the job’s throughput and end-to-end latency requirements are satisfied. This thesis introduces a network-based multiprocessor system that is predictable. This is achieved by starting with an architecture where processors have private local memories and execute tasks in a static order, so that the uncertainty in the temporal behaviour is minimised. As an interconnect, we use a network that supports guaranteed communication services so that it is guaranteed that data is delivered in time. The architecture is extended with shared local memories, run-time scheduling of tasks, and a memory hierarchy. Dataflow modelling and analysis techniques are used for verification, because they allow cyclic data dependencies that influence the job’s performance. Shown is how to construct a dataflow model from a job that is mapped onto our predictable multiprocessor platforms. This dataflow model takes into account: computation of tasks, communication between tasks, buffer capacities, and scheduling of shared resources. The job’s throughput and end-to-end latency bounds are derived from a self-timed execution of the dataflow graph, by making use of existing dataflow-analysis techniques. It is shown that the derived bounds are tight, e.g. for our channel equaliser job, the accuracy of the derived throughput bound is within 10.1%. Furthermore, it is shown that the dataflow modelling and analysis techniques can be used despite the use of shared memories, run-time scheduling of tasks, and caches

Ordonnancement hybride des applications flots de données sur des systèmes embarqués multi-coeurs

Les systèmes embarqués sont de plus en plus présents dans l'industrie comme dans la vie quotidienne. Une grande partie de ces systèmes comprend des applications effectuant du traitement intensif des données: elles utilisent de nombreux filtres numériques, où les opérations sur les données sont répétitives et ont un contrôle limité. Les graphes "flots de données", grâce à leur déterminisme fonctionnel inhérent, sont très répandus pour modéliser les systèmes embarqués connus sous le nom de "data-driven". L'ordonnancement statique et périodique des graphes flot de données a été largement étudié, surtout pour deux modèles particuliers: SDF et CSDF. Dans cette thèse, on s'intéresse plus particulièrement à l'ordonnancement périodique des graphes CSDF. Le problème consiste à identifier des séquences périodiques infinies d'actionnement des acteurs qui aboutissent à des exécutions complètes à buffers bornés. L'objectif est de pouvoir aborder ce problème sous des angles différents : maximisation de débit, minimisation de la latence et minimisation de la capacité des buffers. La plupart des travaux existants proposent des solutions pour l'optimisation du débit et négligent le problème d'optimisation de la latence et propose même dans certains cas des ordonnancements qui ont un impact négatif sur elle afin de conserver les propriétés de périodicité. On propose dans cette thèse un ordonnancement hybride, nommé Self-Timed Périodique (STP), qui peut conserver les propriétés d'un ordonnancement périodique et à la fois améliorer considérablement sa performance en terme de latence.One of the most important aspects of parallel computing is its close relation to the underlying hardware and programming models. In this PhD thesis, we take dataflow as the basic model of computation, as it fits the streaming application domain. Cyclo-Static Dataflow (CSDF) is particularly interesting because this variant is one of the most expressive dataflow models while still being analyzable at design time. Describing the system at higher levels of abstraction is not sufficient, e.g. dataflow have no direct means to optimize communication channels generally based on shared buffers. Therefore, we need to link the dataflow MoCs used for performance analysis of the programs, the real time task models used for timing analysis and the low-level model used to derive communication times. This thesis proposes a design flow that meets these challenges, while enabling features such as temporal isolation and taking into account other challenges such as predictability and ease of validation. To this end, we propose a new scheduling policy noted Self-Timed Periodic (STP), which is an execution model combining Self-Timed Scheduling (STS) with periodic scheduling. In STP scheduling, actors are no longer strictly periodic but self-timed assigned to periodic levels: the period of each actor under periodic scheduling is replaced by its worst-case execution time. Then, STP retains some of the performance and flexibility of self-timed schedule, in which execution times of actors need only be estimates, and at the same time makes use of the fact that with a periodic schedule we can derive a tight estimation of the required performance metrics