Exploration d'architectures génériques sur FPGA pour des algorithmes d'imagerie multispectrale

Les architectures multiprocesseur sur puce (MPSoC) basées sur les réseaux sur puce (NoC) constituent une des solutions les plus appropriées pour les applications embarquées temps réel de traitement du signal et de l image. De part l augmentation constante de la complexité de ces algorithmes et du type et de la taille des données manipulées, des architectures MPSoC sont nécessaires pour répondre aux contraintes de performance et de portabilité. Mais l exploration de l espace de conception de telles architectures devient très coûteuse en temps. En effet, il faut définir principalement le type et le nombre des coeurs de calcul, l architecture mémoire et le réseau de communication entre tous ces composants. La validation par simulation de haut niveau manque de précision, et la simulation de bas niveau est inadaptée au vu de la taille de l architecture. L émulation sur FPGA devient donc inévitable. Dans le domaine de l image, l imagerie spectrale est de plus en plus utilisée car elle permet de multiplier les intervalles spectraux, améliorant la définition de la lumière d une scène pour permettre un accès à des caractéristiques non visibles à l oeil nu. De nombreux paramètres modifient les caractéristiques de l algorithme, ce qui influence l architecture finale. L objectif de cette thèse est de proposer une méthode pour dimensionner au plus juste l architecture matérielle et logicielle d une application d imagerie multispectrale. La première étape est le dimensionnement du NoC en fonction du trafic sur le réseau. Le développement automatique d une plateforme d émulation sur mono ou multi FPGA facilite cette étape et détermine le positionnement des composants de calcul. Ensuite, le dimensionnement des composants de calcul et leurs fonctionnalités sont validés à l aide de plateformes de simulation existantes, avant la génération du modèle synthétisable sur FPGA. Le flot de conception est ouvert dans le sens qu il accepte différents NoC à condition d avoir le modèle source HDL de ce composant. De nombreux résultats mettent en avant les paramètres importants qui ont une influence sur les performances des architectures et du NoC en particulier. Plusieurs solutions sont décrites, commentées et critiquées. Ces travaux nous permettent de poser les premiers jalons d une plateforme d émulation complète MPSoC à base de NoCThe Multiprocessor-System-On-Chip (MPSoC) architectures based on the Network-On-Chip (NoC) communication are the one of the most appropriate solution for image and signal processing applications under real time constraints. Due to the ever increasing complexity of these algorithms, the types and sizes of the data manipulated, the MPSoC architectures are necessary to meet the constraints of performance and portability. However exploring the design space of such architecture is time consuming. Indeed, many parameters should be defined such as the type and the number of processing cores, the memory architecture and the communication network between all these components. Validation by high-level simulations has the lack of the precision. Low-level simulation is inadequate for such big size of the architecture. Therefore, the emulation on FPGA becomes inevitable. In image processing, spectral imaging is more and more used. This technology captures light from more frequencies than the human eye increasing the number of wavelengths. Invisible details can be extracted from a scene. The difference between all spectral imaging applications is the number of wavelengths and the precision. Many parameters affect the characteristics of the algorithm, having a huge impact on the final architecture. The objective of this thesis is to propose a method for sizing one of the most accurate hardware and software architecture for multispectral imaging application. The first step is the design of the NoC based on the network traffic. The automatic development of an emulation platform on a single FPGA or multi-FPGAs simplifies this step and determines the positioning of the computational components. Then, the design of computational components and their functions are validated using existing simulation platforms. The synthesizable model of the architecture on FPGA is then generated. The design flow is open. Several NoC structures can be inserted using the source model of this component. The set of results obtained points out the major parameters influencing the performances of architecture and the NoC itself. Several solutions are described and analyzed. These studies allow us to lay the groundwork for a complete MPSoC emulation platform based on NoCST ETIENNE-Bib. électronique (422189901) / SudocSudocFranceF

Approches d'optimisation et de personnalisation des réseaux sur puce (NoC : Networks on Chip)

Systems-on-chip (SoC) have become more and more complex due to the development of integrated circuit technology.Recent studies have shown that in order to improve the performance of a specific SoC application domain, the on-chipinter-connects (OCI) architecture must be customized at design-time or at run-time. Related approaches generallyprovide application-specific SoCs tailored to specific applications. The aim of this thesis is to carry out new approachesfor Network-on-Chip (NoC) and study their performances, especially in terms of latency, throughput, energyconsumption and simplicity of implementation.We have proposed an approach to allow designers to customize a candidate OCI architecture by adding strategiclinks in order to match large application workload. The analytical evaluation focuses on improving the physicalparameters of the NoC topology regardless of the application that should run on. The evaluation by simulationfocuses to evaluate the communication performances of the NoC. Simulations results show the effectiveness ofthis approach to improve the NoC performances. We have also introduced a compartmental Fluid-flow basedmodeling approach to allocate required resource for each buffer based on the application traffic pattern. Simulationsare conducted and results show the efficiency of this modeling method for a buffer space optimized allocation.Finally, we proposed a joint approach based on a system dynamics theory for evaluating the performance of a flowcontrol algorithm in NoCs. This algorithm allows NoC elements to dynamically adjust their inflow by using afeedback control-based mechanism. Analytical and simulation results showed the viability of this mechanism forcongestion avoidance in NoCs.Les systèmes embarqués sur puce (SoC : Systems-on-Chip) sont devenus de plus en plus complexes grâce à l’évolution de la technologie des circuits intégrés. Des études récentes ont montré que pour améliorer les performances du réseau su puce (NoC : Network-on-Chip), l’architecture de celui-ci pouvait être personnalisée, soit au moment de la conception, soit au moment de l’exécution. L’objectif principal de cette thèse est d’implémenter de nouvelles approches pour améliorer les performances des NoCs, notamment la latence, le débit, la consommation d’énergie, et la simplicité de mise en œuvre.Nous avons proposé une approche pour permettre aux concepteurs de personnaliser l'architecture d’un NoC par insertion de liens stratégiques, pour qu’elle soit adaptée à de nombreuses applications, sous la contrainte d’un budget limité en termes de nombre de liens. L’évaluation analytique porte sur l’amélioration des paramètres physiques de la topologie du NoC sans tenir compte de l’application qui devrait s’exécuter dessus. L’évaluation par simulation porte sur l’évaluation des performances de communication du NoC. Les résultats de simulations montrent l’efficacité de notre approche pour améliorer les performances du NoC. Nous avons également introduit une approche de modélisation par réseau à compartiments pour allouer les ressources nécessaires pour chaque tampon selon le modèle de trafic de l'application cible. Les résultats de simulations montrent l'efficacité de cette approche de modélisation pour l’allocation optimisée de l'espace tampon. Enfin, nous avons proposé une approche conjointe basée sur la théorie des systèmes dynamiques pour évaluer la performance d'un algorithme de contrôle de flux dans les NoCs. Cet algorithme permet aux éléments du NoC d’ajuster dynamiquement leur entrée en utilisant un mécanisme basé sur le contrôle de flux par rétroaction. Les résultats d’évaluations analytiques et de simulation montrent la viabilité de ce mécanisme pour éviter la congestion dans les NoCs

High level design and control of adaptive multiprocessor system-on-chips

The design of modern embedded systems is getting more and more complex, as more func- tionality is integrated into these systems. At the same time, in order to meet the compu- tational requirements while keeping a low level power consumption, MPSoCs have emerged as the main solutions for such embedded systems. Furthermore, embedded systems are be- coming more and more adaptive, as the adaptivity can bring a number of benefits, such as software flexibility and energy efficiency. This thesis targets the safe design of such adaptive MPSoCs. First, each system configuration must be analyzed concerning its functional and non- functional properties. We present an abstract design and analysis framework, which allows for faster and cost-effective implementation decisions. This framework is intended as an intermediate reasoning support for system level software/hardware co-design environments. It can prune the design space at its largest, and identify candidate design solutions in a fast and efficient way. In the framework, we use an abstract clock-based encoding to model system behaviors. Different mapping and scheduling scenarios of applications on MPSoCs are analyzed via clock traces representing system simulations. Among properties of interest are functional behavioral correctness, temporal performance and energy consumption. Second, the reconfiguration management of adaptive MPSoCs must be addressed. We are specially interested in MPSoCs implemented on reconfigurable hardware architectures (i.e., FPGA fabrics), which provide a good flexibility and computational efficiency for adap- tive MPSoCs. We propose a general design framework based on the discrete controller syn- thesis (DCS) technique to address this issue. The main advantage of this technique is that it allows the automatic controller synthesis w.r.t. a given specification of control objectives. In the framework, the system reconfiguration behavior is modeled in terms of synchronous parallel automata. The reconfiguration management computation problem w.r.t. multiple objectives regarding e.g., resource usages, performance and power consumption is encoded as a DCS problem. The existing BZR programming language and Sigali tool are employed to perform DCS and generate a controller that satisfies the system requirements. Finally, we investigate two different ways of combining the two proposed design frame- works for adaptive MPSoCs. Firstly, they are combined to construct a complete design flow for adaptive MPSoCs. Secondly, they are combined to present how the designed run-time manager by the second framework can be integrated into the first framework so that high level simulations can be performed to assess the run-time manager.La conception de systèmes embarqués modernes est de plus en plus complexe, car plus de fonctionnalités sont intégrées dans ces systèmes. En même temps, afin de répondre aux exigences de calcul tout en conservant une consommation d'énergie de faible niveau, MPSoCs sont apparus comme les principales solutions pour tels systèmes embarqués. En outre, les systèmes embarqués sont de plus en plus adaptatifs, comme l’adaptabilité peut apporter un certain nombre d'avantages, tels que la flexibilité du logiciel et l'efficacité énergétique. Cette thèse vise la conception sécuritaire de ces MPSoCs adaptatifs. Tout d'abord, chaque configuration de système doit être analysée en ce qui concerne ses propriétés fonctionnelles et non fonctionnelles. Nous présentons un cadre abstraite de conception et d’analyse qui permet des décisions d’implémentation plus rapide et plus rentable. Ce cadre est conçu comme un support de raisonnement intermédiaire pour les environnements de co-conception de logiciel / matériel au niveau de système. Il peut élaguer l'espace de conception à sa plus grande portée, et identifier les candidats de solutions de conception de manière rapide et efficace. Dans ce cadre, nous utilisons un codage basé sur l’horloge abstrait pour modéliser les comportements du système. Différents scénarios d'applications de mapping et de planification sur MPSoCs sont analysés via les traces d'horloge qui représentent les simulations du système. Les propriétés d'intérêt sont l’exactitude du comportement fonctionnel, la performance temporelle et la consommation d'énergie. Deuxièmement, la gestion de la reconfiguration de MPSoCs adaptatifs doit être abordée. Nous sommes particulièrement intéressés par les MPSoCs implémentés sur des architectures reconfigurables de hardware (ex. FPGA tissus) qui offrent une bonne flexibilité et une efficacité de calcul pour les MPSoCs adaptatifs. Nous proposons un cadre général de conception basésur la technique de la synthèse de contrôleurs discrets (SCD) pour résoudre ce problème. L’avantage principal de cette technique est qu'elle permet une synthèse d'un contrôleur automatique vis-à-vis d’une spécification donnée des objectifs de contrôle. Dans ce cadre, le comportement de reconfiguration du système est modélisé en termes d'automates synchrones en parallèle. Le problème de calcul de la gestion reconfiguration vis-à-vis de multiples objectifs concernant, par exemple, les usages des ressources, la performance et la consommation d’énergie est codé comme un problème de SCD . Le langage de programmation BZR existant et l’outil Sigali sont employés pour effectuer SCD et générer un contrôleur qui satisfait aux exigences du système. Finalement, nous étudions deux façons différentes de combiner les deux cadres de conception proposées pour MPSoCs adaptatifs. Tout d'abord, ils sont combinés pour construire un flot de conception complet pour MPSoCs adaptatifs. Deuxièmement, ils sont combinés pour présenter la façon dont le gestionnaire d'exécution conçu dans le second cadre peut être intégré dans le premier cadre de sorte que les simulations de haut niveau peuvent être effectuées pour évaluer le gestionnaire d'exécution

Conception d'un micro-réseau intégré NOC tolérant les fautes multiples statiques et dynamiques

The quest for higher-performance and low-power consumption has driven the microelectronics' industry race towards aggressive technology scaling and multicore chip designs. In this many-core era, the Network-on-chip (NoCs) becomes the most promising solution for on-chip communication because of its performance scaling with the number of IPs integrated in the chip.Fault tolerance becomes mandatory as the CMOS technology continues shrinking down. The yield and the reliability are more and more affected by factors such as manufacturing defects, process variations, environment variations, cosmic radiations, and so on. As a result, the designs should be able to provide full functionality (e.g. critical systems), or at least allow degraded mode in a context of high failure rates. To accomplish this, the systems should be able to adapt to manufacturing and runtime failures.In this thesis, some techniques are proposed to improve the fault tolerance ability of NoC based circuits working in harsh environments. As previous works allow the handling of one type of fault at a time, we propose here a solution where different kinds of faults can be tolerated concurrently.Considering constraints such as area and power consumption, a fault tolerant adaptive routing algorithm was proposed, which can cope with transient, intermittent and permanent faults. Combined with some existing techniques, like flit retransmission and packet fragmentation, this approach allows tolerating numerous static and dynamic faults. Simulations results show that the proposed solution allows a high packet delivery success rate: for a 16x16 2D Mesh NoC, 97.68% in the presence of 384 simultaneous link faults, and 93.40% with the presence of 103 simultaneous router faults. This success rate is even higher when this algorithm is extended to NoCs with Tore topology. Another contribution of this thesis is the inclusion of a congestion management function in the proposed routing algorithm. For this purpose, we introduce a novel metric of congestion measurement named Flit Remain. The experimental results show that using this new congestion metric allows a reduction of the average latency of the Network on Chip from 2.5% to 16.1% when compared to the existing metrics.The combination of static and dynamic fault tolerant and adaptive routing and the congestion management offers a solution, which allows designing a NoC highly resilient.Les progrès dans les technologies à base de semi-conducteurs et la demande croissante de puissance de calcul poussent vers une intégration dans une même puce de plus en plus de processeurs intégrés. Par conséquent les réseaux sur puce remplacent progressivement les bus de communication, ceux-ci offrant plus de débit et permettant une mise à l'échelle simplifiée. Parallèlement, la réduction de la finesse de gravure entraine une augmentation de la sensibilité des circuits au processus de fabrication et à son environnement d'utilisation. Les défauts de fabrication et le taux de défaillances pendant la durée de vie du circuit augmentent lorsque l'on passe d'une technologie à une autre. Intégrer des techniques de tolérance aux fautes dans un circuit devient indispensable, en particulier pour les circuits évoluant dans un environnement très sensible (aérospatial, automobile, santé, ...). Nous présentons dans ce travail de thèse, des techniques permettant d'améliorer la tolérance aux fautes des micro-réseaux intégrés dans des circuits évoluant dans un environnement difficile. Le NoC doit ainsi être capable de s'affranchir de la présence de nombreuses fautes. Les travaux publiés jusqu'ici proposaient des solutions pour un seul type de faute. En considérant les contraintes de surface et de consommation du domaine de l'embarqué, nous avons proposé un algorithme de routage adaptatif tolérant à la fois les fautes intermittentes, transitoires et permanentes. En combinant et adaptant des techniques existantes de retransmission de flits, de fragmentation et de regroupement de paquet, notre approche permet de s'affranchir de nombreuses fautes statiques et dynamiques. Les très nombreuses simulations réalisées ont permis de montrer entre autre que, l'algorithme proposé permet d'atteindre un taux de livraison de paquets de 97,68% pour un NoC 16x16 en maille 2D en présence de 384 liens défectueux simultanés, et 93,40% lorsque 103 routeurs sont défaillants. Nous avons étendu l'algorithme aux topologies de type tore avec des résultats bien meilleurs.Une autre originalité de cette thèse est que nous avons inclus dans cet algorithme une fonction de gestion de la congestion. Pour cela nous avons défini une nouvelle métrique de mesure de la congestion (Flit Remain) plus pertinente que les métriques utilisées et publiées jusqu'ici. Les expériences ont montré que l'utilisation de cette métrique permet de réduire la latence (au niveau du pic de saturation) de 2,5 % à 16,1 %, selon le type de trafic généré, par rapport à la plus efficace des métriques existante. La combinaison du routage adaptatif tolérant les fautes statiques et dynamiques et la gestion de la congestion offrent une solution qui permet d'avoir un NoC et par extension un circuit beaucoup plus résilient

Traitement des signaux et images en temps réel ("implantation de H.264 sur MPSoC")

Cette thèse est élaborée en cotutelle entre l université Badji Mokhtar (Laboratoire LERICA) et l université de bourgogne (Laboratoire LE2I, UMR CNRS 5158). Elle constitue une contribution à l étude et l implantation de l encodeur H.264/AVC. Durent l évolution des normes de compression vidéo, une réalité sure est vérifiée de plus en plus : avoir une bonne performance du processus de compression nécessite l élaboration d équipements beaucoup plus performants en termes de puissance de calcul, de flexibilité et de portabilité et ceci afin de répondre aux exigences des différents traitements et satisfaire au critère Temps Réel . Pour assurer un temps réel pour ce genre d applications, une solution reste possible est l utilisation des systèmes sur puce (SoC) ou bien des systèmes multiprocesseurs sur puce (MPSoC) implantés sur des plateformes reconfigurables à base de circuit FPGA. L objective de cette thèse consiste à l étude et l implantation des algorithmes de traitement des signaux et images et en particulier la norme H.264/AVC, et cela dans le but d assurer un temps réel pour le cycle codage-décodage. Nous utilisons deux plateformes FPGA de Xilinx (ML501 et XUPV5). Dans la littérature, il existe déjà plusieurs implémentations du décodeur. Pour l encodeur, malgré les efforts énormes réalisés, il reste toujours du travail pour l optimisation des algorithmes et l extraction des parallélismes possibles surtout avec une variété de profils et de niveaux de la norme H.264/AVC.Dans un premier temps de cette thèse, nous proposons une implantation matérielle d un contrôleur mémoire spécialement pour l encodeur H.264/AVC. Ce contrôleur est réalisé en ajoutant, au contrôleur mémoire DDR2 des deux plateformes de Xilinx, une couche intelligente capable de calculer les adresses et récupérer les données nécessaires pour les différents modules de traitement de l encodeur. Ensuite, nous proposons des implantations matérielles (niveau RTL) des modules de traitement de l encodeur H.264. Sur ces implantations, nous allons exploiter les deux principes de parallélisme et de pipelining autorisé par l encodeur en vue de la grande dépendance inter-blocs. Nous avons ainsi proposé plusieurs améliorations et nouvelles techniques dans les modules de la chaine Intra et le filtre anti-blocs. A la fin de cette thèse, nous utilisons les modules réalisés en matériels pour la l implantation Matérielle/logicielle de l encodeur H.264/AVC. Des résultats de synthèse et de simulation, en utilisant les deux plateformes de Xilinx, sont montrés et comparés avec les autres implémentations existantesThis thesis has been carried out in joint supervision between the Badji Mokhtar University (LERICA Laboratory) and the University of Burgundy (LE2I laboratory, UMR CNRS 5158). It is a contribution to the study and implementation of the H.264/AVC encoder. The evolution in video coding standards have historically demanded stringent performances of the compression process, which imposes the development of platforms that perform much better in terms of computing power, flexibility and portability. Such demands are necessary to fulfill requirements of the different treatments and to meet "Real Time" processing constraints. In order to ensure real-time performances, a possible solution is to made use of systems on chip (SoC) or multiprocessor systems on chip (MPSoC) built on platforms based reconfigurable FPGAs. The objective of this thesis is the study and implementation of algorithms for signal and image processing (in particular the H.264/AVC standard); especial attention was given to provide real-time coding-decoding cycles. We use two FPGA platforms (ML501 and XUPV5 from Xilinx) to implement our architectures. In the literature, there are already several implementations of the decoder. For the encoder part, despite the enormous efforts made, work remains to optimize algorithms and extract the inherent parallelism of the architecture. This is especially true with a variety of profiles and levels of H.264/AVC. Initially, we proposed a hardware implementation of a memory controller specifically targeted to the H.264/AVC encoder. This controller is obtained by adding, to the DDR2 memory controller, an intelligent layer capable of calculating the addresses and to retrieve the necessary data for several of the processing modules of the encoder. Afterwards, we proposed hardware implementations (RTL) for the processing modules of the H.264 encoder. In these implementations, we made use of principles of parallelism and pipelining, taking into account the constraints imposed by the inter-block dependency in the encoder. We proposed several enhancements and new technologies in the channel Intra modules and the deblocking filter. At the end of this thesis, we use the modules implemented in hardware for implementing the H.264/AVC encoder in a hardware/software design. Synthesis and simulation results, using both platforms for Xilinx, are shown and compared with other existing implementationsDIJON-BU Doc.électronique (212319901) / SudocSudocFranceF

Contribution au domaine de la conception des Systèmes Embarqués et Pervasifs Faible Consommation

La première partie est consacré à l’Estimation de la Consommation des Architectures Logicel. Ce travail est en continuité de mes travaux de thèse et ont démarré avec le projet SPICES piloté par le Dr Eric Senn. Ce projet avait pour but, pour notre partie, de modéliser et d’estimer la consommation des services d’un système d’exploitation à haut niveau. Ces travaux ont fait l’objet de la thèse de Saadia Dhouib (2006-2009) co dirigée par Eric Senn et Jean Philippe Diguet.La seconde aborde le problème du placement des données en mémoire pour les architectures logiciel. L’idée de ces travaux était de permettre un placement optimum des structures de données d’une application dans une hiérarchie mémoire fixée. Ce travail a été le début de la collaboration avec Marc Sevaux et André Rossi sur ces aspects et ont été poursuivis dans la thèse réalisée par Maria Soto (2008-2011).La troisième présente les travaux autour de l’estimation et l’optimisation de la consommation des interconnexions dans les systèmes sur puce (SoC). Dans un système sur puce la consommation d’énergie générée par les interconnexions peut devenir non négligeable ; il devient donc indispensable de pouvoir optimiser cette consommation. Afin de pouvoir juger des optimisations proposées, un modèle d’estimation est nécessaire car le temps de conception et de simulation (au niveau électrique) est prohibitif. Ces travaux ont fait l’objet de la thèse d’Antoine Courtay (2005-2008) co dirigée par Olivier Sentieys et Nathalie Julien.Enfin la dernière aborde mes derniers travaux de recherche sur la conception de systèmes pervasifs pour le domaine maritime. Ces travaux aborde plusieurs sous thèmes comme: -la mesure de la performance pour la course au large ; travaux de thèse de Ronan Douguet (2010-2014)-l’utilisation de la réalité augmentée pour l’aide à la navigation ; travaux de thèse de Jean Christophe Morgère (2011-2015)-l’optimisation temps réel d’énergies renouvelables pour voilier du futur ; travaux de thèse de Mathilde Tréhin (2013- ?)-les algorithmes et plateforme faible consommation pour la conception d’un pilote automatique haute performance pour le nautisme ; travaux de thèse d’Hugo Kerhascoet (2014-2017