Software performance estimation strategies in a system-level design tool

High-level cost and performance estimation, coupled with a fast hardware/software co-simulation framework, is a key enabler to a fast embedded system design cycle. Unfortunately, the problem of deriving such estimates without a detailed implementation available is difficult.In this paper we describe two approaches to solve software cost and performance estimation problem, and how they are used in an embedded system design environment. A source-based approach uses compilation onto a virtual instruction set, and allows one to quickly obtain estimates without the need for a compiler for the target processor. An object-based approach translates the assembler generated by the target compiler to “assembler-level,” functionally equivalent t C. In both cases the code is annotated with timing and other execution related information (e.g., estimated memory accesses) and is used as a precise, yet fast, software simulation model. We contrast the precision and speed of these two techniques comparing them with those obtainable by a state-of-the-art cycle-based processor model

Hardware/Software Codesign

The current state of the art technology in integrated circuits allows the incorporation of multiple processor cores and memory arrays, in addition to application specific hardware, on a single substrate. As silicon technology has become more advanced, allowing the implementation of more complex designs, systems have begun to incorporate considerable amounts of embedded software [3]. Thus it becomes increasingly necessary for the system designers to have knowledge on both hardware and software to make efficient design tradeoffs. This is where hardware/software codesign comes into existence

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

Exploration d'une méthodologie de développement matériel et logiciel au niveau système appliqué à un système d'encodage de flux vidéo évolutif

La compagnie Grass Valley, fabricant de cartes de traitement vidéo, désire mettre à jour leur sous-système « thumbnail » qui produit des vidéos à échelle réduite à des fins de diagnostic. Afin de le moderniser, ils ont arrêté leur choix sur une implémentation d’un « proxy » vidéo produisant un flux vidéo compressé avec la norme H.264. Afin d’épargner en coût de développement et assurer son indépendance au cycle de vie des composantes tierces, Grass Valley est à la recherche d’une implémentation évolutive et indépendante d’une plateforme. Afin de résoudre ce problème, Grass Valley a fait appel à Polytechnique. Le développement d’un encodeur H.264 pour système sur puce personnalisé peut nécessiter plusieurs mois à plusieurs années de développement pour une équipe d’ingénierie. Il existe actuellement peu de solutions possibles pour concevoir un tel sous-système rapidement. Afin de développer le sous-système d’encodage H.264 rapidement, nous avons opté pour une méthodologie de développement à l’aide de l’approche du point de vue du système basée sur une spécification exécutable d’un encodeur H.264 en utilisant l’outil SpaceStudio. SpaceStudio est un logiciel permettant l’exploration architecturale à l’aide de plateforme virtuelle configurable. La conception de système à l’aide de cet outil se fait par une approche modulaire sous SystemC. Le système est séparé en module logiciel et matériel fonctionnel et ceux-ci sont développés itérativement. L’utilisation d’un code applicatif comme base afin d’en produire un système embarqué sous SpaceStudio n’a pas été expérimentée. Dans cette optique, ce travail à deux objectifs : 1) développer un système pouvant encoder un flux vidéo et 2) expérimenter avec une approche de développement du point de vue du système à l’aide d’une spécification exécutable sous SpaceStudio. Il est donc question de développer la méthodologie et le projet en parallèle. Au terme de ce projet, nous aurons implémenté un système d’encodage H.264 sur une plateforme virtuel et défini la méthodologie nécessaire afin de produire un système sur puce à l’aide d’une référence logicielle. Cette recherche nous a permis de découvrir les obstacles à la conception de système complexe à l’aide de code C/C++ existant sous SpaceStudio et de développer les bases nécessaires pour rendre la totalité de la méthodologie réalisable dans le futur.----------ABSTRACT: GrassValley, a manufacturer of video processing cards, wants to upgrade their thumbnail subsystem which produces scaled-down videos for diagnostic purposes. In order to modernize this subsystem, they have decided to go with a video proxy producing a video stream compressed with the H.264 standard. In order to save development costs and ensure its independence of third-party components, Grass Valley is looking for a scalable platformindependent implementation. To solve this problem, they called upon Polytechnique. The development of an H.264 encoder for custom system-on-a-chip may take several months to several years of development for an engineering team. There are currently very few possible solutions to design such a subsystem quickly. In order to do so, we opted for a development methodology using the system-level approach based on an executable specification of an H.264 encoder using SpaceStudio. SpaceStudio is a computer aided design software for architectural exploration using a configurable virtual platform. Designing a system with this tool is done through a modular approach using the SystemC library. The designed system is separated into functional software / hardware modules developed iteratively. The use of a software application as a basis to produce a system under SpaceStudio has not been yet tested. This work has two objectives: 1) to develop a system capable of encoding a video stream and 2) to experiment with a system level development approach using a executable specification under SpaceStudio. It is therefore a question of developing the methodology and the encoder in parallel. At the end of this project, we will have implemented a H.264 encoding system on a virtual platform and defined the methodology needed to produce a full system on chip using a software reference as a basis for development. This research allowed us to discover the obstacles associated to the design of a complex systems using C "legacy" code under SpaceStudio and to develop the necessary tools to make the whole methodology achievable in the future

Simulation Native des Systèmes Multiprocesseurs sur Puce à l'aide de la Virtualisation Assistée par le Matériel

L'intégration de plusieurs processeurs hétérogènes en un seul système sur puce (SoC) est une tendance claire dans les systèmes embarqués. La conception et la vérification de ces systèmes nécessitent des plateformes rapides de simulation, et faciles à construire. Parmi les approches de simulation de logiciels, la simulation native est un bon candidat grâce à l'exécution native de logiciel embarqué sur la machine hôte, ce qui permet des simulations à haute vitesse, sans nécessiter le développement de simulateurs d'instructions. Toutefois, les techniques de simulation natives existantes exécutent le logiciel de simulation dans l'espace de mémoire partagée entre le matériel modélisé et le système d'exploitation hôte. Il en résulte de nombreux problèmes, par exemple les conflits l'espace d'adressage et les chevauchements de mémoire ainsi que l'utilisation des adresses de la machine hôte plutôt des celles des plates-formes matérielles cibles. Cela rend pratiquement impossible la simulation native du code existant fonctionnant sur la plate-forme cible. Pour surmonter ces problèmes, nous proposons l'ajout d'une couche transparente de traduction de l'espace adressage pour séparer l'espace d'adresse cible de celui du simulateur de hôte. Nous exploitons la technologie de virtualisation assistée par matériel (HAV pour Hardware-Assisted Virtualization) à cet effet. Cette technologie est maintenant disponibles sur plupart de processeurs grande public à usage général. Les expériences montrent que cette solution ne dégrade pas la vitesse de simulation native, tout en gardant la possibilité de réaliser l'évaluation des performances du logiciel simulé. La solution proposée est évolutive et flexible et nous fournit les preuves nécessaires pour appuyer nos revendications avec des solutions de simulation multiprocesseurs et hybrides. Nous abordons également la simulation d'exécutables cross- compilés pour les processeurs VLIW (Very Long Instruction Word) en utilisant une technique de traduction binaire statique (SBT) pour généré le code natif. Ainsi il n'est pas nécessaire de faire de traduction à la volée ou d'interprétation des instructions. Cette approche est intéressante dans les situations où le code source n'est pas disponible ou que la plate-forme cible n'est pas supporté par les compilateurs reciblable, ce qui est généralement le cas pour les processeurs VLIW. Les simulateurs générés s'exécutent au-dessus de notre plate-forme basée sur le HAV et modélisent les processeurs de la série C6x de Texas Instruments (TI). Les résultats de simulation des binaires pour VLIW montrent une accélération de deux ordres de grandeur par rapport aux simulateurs précis au cycle près.Integration of multiple heterogeneous processors into a single System-on-Chip (SoC) is a clear trend in embedded systems. Designing and verifying these systems require high-speed and easy-to-build simulation platforms. Among the software simulation approaches, native simulation is a good candidate since the embedded software is executed natively on the host machine, resulting in high speed simulations and without requiring instruction set simulator development effort. However, existing native simulation techniques execute the simulated software in memory space shared between the modeled hardware and the host operating system. This results in many problems, including address space conflicts and overlaps as well as the use of host machine addresses instead of the target hardware platform ones. This makes it practically impossible to natively simulate legacy code running on the target platform. To overcome these issues, we propose the addition of a transparent address space translation layer to separate the target address space from that of the host simulator. We exploit the Hardware-Assisted Virtualization (HAV) technology for this purpose, which is now readily available on almost all general purpose processors. Experiments show that this solution does not degrade the native simulation speed, while keeping the ability to accomplish software performance evaluation. The proposed solution is scalable as well as flexible and we provide necessary evidence to support our claims with multiprocessor and hybrid simulation solutions. We also address the simulation of cross-compiled Very Long Instruction Word (VLIW) executables, using a Static Binary Translation (SBT) technique to generated native code that does not require run-time translation or interpretation support. This approach is interesting in situations where either the source code is not available or the target platform is not supported by any retargetable compilation framework, which is usually the case for VLIW processors. The generated simulators execute on top of our HAV based platform and model the Texas Instruments (TI) C6x series processors. Simulation results for VLIW binaries show a speed-up of around two orders of magnitude compared to the cycle accurate simulators.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

SoCRocket - A flexible and extensible Virtual Platform for the development of robust Embedded Systems

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Erhöhung des Abstraktionsniveaus im Entwurfsprozess, speziell dem Entwurf von Systemen auf Basis von Virtuellen Plattformen (VPs), Transaction-Level-Modellierung (TLM) und SystemC. Es wird eine ganzheitliche Methode vorgestellt, mit der komplexe eingebettete Systeme effizient modelliert werden können. Ergebnis ist eine der RTL-Synthese nahezu gleichgestellte Genauigkeit bei wesentlich höherer Flexibilität und Simulationsgeschwindigkeit. Das SoCRocket-System orientiert sich dazu an existierenden Standards und stellt Methoden zu deren effizientem Einsatz zur Verbesserung von Simulationsgeschwindigkeit und Simulationsgenauigkeit vor. So wird unter anderem gezeigt, wie moderne Multi-Kanal-Protokolle mit Split-Transfers durch Ausgleich des Intertransaktions-Timings ohne die Einführung zusätzlicher Protokollphasen zeitlich genau modelliert werden können. Standardisierungslücken in den Bereichen Speichermodellierung und Systemkonfiguration werden durch standardoffene Lösungen geschlossen. Darüber hinaus wird neue Infrastruktur zur Modellierung von Signalkommunikation auf Transaktionsebene, der Verifikation von Komponenten und der Modellierung des Energieverbrauchs vorgestellt. Zur Demonstration wurden die Kernkomponenten einer im europäischen Raumfahrtsektor maßgeblichen Hardwarebibliothek modelliert. Alle Komponenten wurden zunächst in Unit-Tests verifiziert und anschließend in einem Systemprototypen integriert. Zur Verifikation der Funktion, sowie Bestimmung von Simulationsgeschwindigkeit und zeitlicher Genauigkeit, wurde dieser für unterschiedliche Abstraktionsstufen konfiguriert und mit einem in VHDL beschriebenen RISC-Referenzentwurf (LEON3MP) verglichen. Das System mit losem Timing (LT) und blockierender Kommunikation ist im Durchschnitt 561-mal schneller als die RTL-Referenz und weist eine durchschnittliche Timing-Abweichung von 7,04% auf. Das System mit näherungsweise akkuratem Timing (AT) und nicht-blockierender Kommunikation ist 335-mal schneller. Die durchschnittliche Timing-Abweichung beträgt hier nur noch 3,03%, was einer Standardabweichung von 0.033 und damit einer sehr hohen statistischen Sicherheit entspricht. Die verschiedenen Abstraktionsniveaus können zur Realisierung mehrstufiger Architekturexplorationen eingesetzt werden. Dies wird am Beispiel einer hyperspektralen Bildkompression verdeutlicht.The focus of this work is raising the abstraction level in the development process, especially for the design of systems based on Virtual Platforms (VPs), Transaction Level Modeling (TLM), and SystemC. A holistic method for efficient modeling of complex embedded systems is presented. Results are accuracies close to RTL synthesis but at much higher flexibility, and simulation performance. The SoCRocket system integrates existing standards and introduces new methods for improvement of simulation performance and accuracy. It is shown, amongst others, how modern multi-channel protocols with split transfers can be accurately modeled by compensating inter-transaction timing without introducing additional protocol phases. Standardization gaps in the area of memory modeling and system configuration are closed by standard-open solutions. Furthermore, new infrastructure for modeling signal communication on transaction level, verification of components, and estimating power consumption are presented. All components have been verified in unit tests and were subsequently integrated in a system prototype. For functional verification, as well as measurement of simulation performance and accuracy, the prototype was configured for different abstractions and compared to a VHDL-based RISC reference design (LEON3MP). The loosely-timed platform prototype with blocking communication (LT) is in average 561 times faster than the RTL reference and shows an average timing deviation of 7,04%. The approximately-timed system (AT) with non-blocking communication is 335 times faster. Here, the timing deviation is only 3,03 %, corresponding to a standard deviation of 0.033, proving a very high statistic certainty. The system’s various abstraction levels can be exploited by a multi-stage architecture exploration. This is demonstrated by the example of a hyperspectral image compression