Automatic High-Level Hardware Checkpoint Selection for Reconfigurable Systems

International audience—Modern FPGAs provide great computational power and flexibility but there is still room for improving their performances. For example multiuser approaches are particularly underdeveloped as they require specific mechanisms still to be automated. Sharing an FPGA resource between applications or users requires a context switch ability. The latter enables pausing and resuming applications at system demand. This paper presents a method that automatically selects a good execution point, called hardware checkpoint, to perform a context switch on an FPGA. The method relies on a static analysis of the finite state machine of a circuit to select the checkpoint states. The obtained selection ensures that the context switch mechanism respects a given latency and tries to minimize the mechanism costs. The method takes advantage of its integration in an open-source HLS tool and preliminary results highlight its efficiency. Index Terms—FPGA, HLS, CAD, hardware context switc

A New Methodology to Manage FPGA Distributed Memory Content via Bitstream for Xilinx ZYNQ Devices

This paper proposes a methodology to access data and manage the content of distributed memories in FPGA designs through the configuration bitstream. Thanks to the methods proposed, it is possible to read and write the data content of registers without using the in/out ports of registers in a straightforward fashion. Hence, it offers the possibility of performing several operations, such as, to load, copy or compare the information stored in registers without the necessity of physical interconnections. This work includes two flows that simplify the designing process when using the proposed approach: while the first enables the protection or unprotection of writing on different partial regions through the bitstream, the second permits homogeneous instances of a design implemented in different reconfigurable regions to be obtained without losing efficiency. The approach is based and has been physically validated on the ZYNQ from Xilinx, and when using partially reconfigurable designs, it does not affect the hardware overhead nor the maximum operating frequency of the design.This work has been supported, within the fund for research groups of the Basque university system IT1440-22, by the Department of Education and, within PILAR ZE-2020/00022 and COMMUTE ZE-2021/00931 projects, by the Hazitek program, both of the Basque Government; the latter also by the Ministerio de Ciencia Innovación of Spain through the Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI) within the projects IDI-20201264 and IDI-20220543, and through the Fondo Europeo de Desarrollo Regional 2014–2020 (FEDER funds)

Flot de conception automatique pour circuits commutables

National audienceLes FPGA, ou puces reconfigurables, n’ont pas cessé d’évoluer depuis leur création et sont désormais utilisés dans des systèmes complets (Xilinx Zynq ou Altera Stratix). Malgré tout, il reste de nombreux champs applicatifs desquels ils sont absents, et à tort. Utiliser les FPGA de manière plus intense au sein de systèmes complets est possible, mais il faut pour cela développer les capacités multi-utilisateurs de ces plateformes. Donner la capacité à une application s’exécutant sur un FPGA de se stopper pour, par exemple, laisser s’exécuter d’autres applications jugées prioritaires est particulièrement intéressant. Une telle action est qualifiée de « changement de contexte » (en anglais context-switch).Dans cet article, nous présentons une méthode et un outil permettant de donner cette capacité à des circuits fonctionnant sur cible reconfigurable. Le flot de conception présenté s’appuie sur un logiciel de synthèse de haut niveau et offre automatiquement la capacité de commutation aux circuits synthétisés. Les expériences menées sur un panel de circuits classiques montrent que l’ajout de cette capacité à un coût relativement faible ainsi qu’une rapidité de commutation sans égale dans la littérature

HAL-ASOS accelerator model: evolutive elasticity by design

To address the integration of software threads and hardware accelerators into the Linux Operating System (OS) programming models, an accelerator architecture is proposed, based on micro-programmable hardware system calls, which fully export these resources into the Linux OS user-space through a design-specific virtual file system. The proposed HAL-ASOS accelerator model is split into a user-defined Hardware Task and a parameterizable Hardware Kernel with three differentiated transfer channels, aiming to explore distinct BUS technology interfaces and promote the accelerator to a first-class computing unit. This paper focuses on the Hardware Kernel and mainly its microcode control unit, which will leverage the elasticity to naturally evolve with Linux OS through key differentiating capabilities of field programmable gate arrays (FPGAs) when compared to the state of the art. To comply with the evolutive nature of Linux OS, or any Hardware Task incremental features, the proposed model generates page-faults signaling runtime errors that are handled at the kernel level as part of the virtual file system runtime. To evaluate the accelerator model’s programmability and its performance, a client-side application based on the AES 128-bit algorithm was implemented. Experiments demonstrate a flexible design approach in terms of hardware and software reconfiguration and significant performance increases consistent with rising processing demands or clock design frequencies.This work has been supported by FCT-Fundação para a Ciência e Tecnologia within the R&D Units Project Scope: UIDB/00319/2020

Dependability-driven Strategies to Improve the Design and Verification of Safety-Critical HDL-based Embedded Systems

[ES] La utilización de sistemas empotrados en cada vez más ámbitos de aplicación está llevando a que su diseño deba enfrentarse a mayores requisitos de rendimiento, consumo de energía y área (PPA). Asimismo, su utilización en aplicaciones críticas provoca que deban cumplir con estrictos requisitos de confiabilidad para garantizar su correcto funcionamiento durante períodos prolongados de tiempo. En particular, el uso de dispositivos lógicos programables de tipo FPGA es un gran desafío desde la perspectiva de la confiabilidad, ya que estos dispositivos son muy sensibles a la radiación. Por todo ello, la confiabilidad debe considerarse como uno de los criterios principales para la toma de decisiones a lo largo del todo flujo de diseño, que debe complementarse con diversos procesos que permitan alcanzar estrictos requisitos de confiabilidad. Primero, la evaluación de la robustez del diseño permite identificar sus puntos débiles, guiando así la definición de mecanismos de tolerancia a fallos. Segundo, la eficacia de los mecanismos definidos debe validarse experimentalmente. Tercero, la evaluación comparativa de la confiabilidad permite a los diseñadores seleccionar los componentes prediseñados (IP), las tecnologías de implementación y las herramientas de diseño (EDA) más adecuadas desde la perspectiva de la confiabilidad. Por último, la exploración del espacio de diseño (DSE) permite configurar de manera óptima los componentes y las herramientas seleccionados, mejorando así la confiabilidad y las métricas PPA de la implementación resultante. Todos los procesos anteriormente mencionados se basan en técnicas de inyección de fallos para evaluar la robustez del sistema diseñado. A pesar de que existe una amplia variedad de técnicas de inyección de fallos, varias problemas aún deben abordarse para cubrir las necesidades planteadas en el flujo de diseño. Aquellas soluciones basadas en simulación (SBFI) deben adaptarse a los modelos de nivel de implementación, teniendo en cuenta la arquitectura de los diversos componentes de la tecnología utilizada. Las técnicas de inyección de fallos basadas en FPGAs (FFI) deben abordar problemas relacionados con la granularidad del análisis para poder localizar los puntos débiles del diseño. Otro desafío es la reducción del coste temporal de los experimentos de inyección de fallos. Debido a la alta complejidad de los diseños actuales, el tiempo experimental dedicado a la evaluación de la confiabilidad puede ser excesivo incluso en aquellos escenarios más simples, mientras que puede ser inviable en aquellos procesos relacionados con la evaluación de múltiples configuraciones alternativas del diseño. Por último, estos procesos orientados a la confiabilidad carecen de un soporte instrumental que permita cubrir el flujo de diseño con toda su variedad de lenguajes de descripción de hardware, tecnologías de implementación y herramientas de diseño. Esta tesis aborda los retos anteriormente mencionados con el fin de integrar, de manera eficaz, estos procesos orientados a la confiabilidad en el flujo de diseño. Primeramente, se proponen nuevos métodos de inyección de fallos que permiten una evaluación de la confiabilidad, precisa y detallada, en diferentes niveles del flujo de diseño. Segundo, se definen nuevas técnicas para la aceleración de los experimentos de inyección que mejoran su coste temporal. Tercero, se define dos estrategias DSE que permiten configurar de manera óptima (desde la perspectiva de la confiabilidad) los componentes IP y las herramientas EDA, con un coste experimental mínimo. Cuarto, se propone un kit de herramientas que automatiza e incorpora con eficacia los procesos orientados a la confiabilidad en el flujo de diseño semicustom. Finalmente, se demuestra la utilidad y eficacia de las propuestas mediante un caso de estudio en el que se implementan tres procesadores empotrados en un FPGA de Xilinx serie 7.[CA] La utilització de sistemes encastats en cada vegada més àmbits d'aplicació està portant al fet que el seu disseny haja d'enfrontar-se a majors requisits de rendiment, consum d'energia i àrea (PPA). Així mateix, la seua utilització en aplicacions crítiques provoca que hagen de complir amb estrictes requisits de confiabilitat per a garantir el seu correcte funcionament durant períodes prolongats de temps. En particular, l'ús de dispositius lògics programables de tipus FPGA és un gran desafiament des de la perspectiva de la confiabilitat, ja que aquests dispositius són molt sensibles a la radiació. Per tot això, la confiabilitat ha de considerar-se com un dels criteris principals per a la presa de decisions al llarg del tot flux de disseny, que ha de complementar-se amb diversos processos que permeten aconseguir estrictes requisits de confiabilitat. Primer, l'avaluació de la robustesa del disseny permet identificar els seus punts febles, guiant així la definició de mecanismes de tolerància a fallades. Segon, l'eficàcia dels mecanismes definits ha de validar-se experimentalment. Tercer, l'avaluació comparativa de la confiabilitat permet als dissenyadors seleccionar els components predissenyats (IP), les tecnologies d'implementació i les eines de disseny (EDA) més adequades des de la perspectiva de la confiabilitat. Finalment, l'exploració de l'espai de disseny (DSE) permet configurar de manera òptima els components i les eines seleccionats, millorant així la confiabilitat i les mètriques PPA de la implementació resultant. Tots els processos anteriorment esmentats es basen en tècniques d'injecció de fallades per a poder avaluar la robustesa del sistema dissenyat. A pesar que existeix una àmplia varietat de tècniques d'injecció de fallades, diverses problemes encara han d'abordar-se per a cobrir les necessitats plantejades en el flux de disseny. Aquelles solucions basades en simulació (SBFI) han d'adaptar-se als models de nivell d'implementació, tenint en compte l'arquitectura dels diversos components de la tecnologia utilitzada. Les tècniques d'injecció de fallades basades en FPGAs (FFI) han d'abordar problemes relacionats amb la granularitat de l'anàlisi per a poder localitzar els punts febles del disseny. Un altre desafiament és la reducció del cost temporal dels experiments d'injecció de fallades. A causa de l'alta complexitat dels dissenys actuals, el temps experimental dedicat a l'avaluació de la confiabilitat pot ser excessiu fins i tot en aquells escenaris més simples, mentre que pot ser inviable en aquells processos relacionats amb l'avaluació de múltiples configuracions alternatives del disseny. Finalment, aquests processos orientats a la confiabilitat manquen d'un suport instrumental que permeta cobrir el flux de disseny amb tota la seua varietat de llenguatges de descripció de maquinari, tecnologies d'implementació i eines de disseny. Aquesta tesi aborda els reptes anteriorment esmentats amb la finalitat d'integrar, de manera eficaç, aquests processos orientats a la confiabilitat en el flux de disseny. Primerament, es proposen nous mètodes d'injecció de fallades que permeten una avaluació de la confiabilitat, precisa i detallada, en diferents nivells del flux de disseny. Segon, es defineixen noves tècniques per a l'acceleració dels experiments d'injecció que milloren el seu cost temporal. Tercer, es defineix dues estratègies DSE que permeten configurar de manera òptima (des de la perspectiva de la confiabilitat) els components IP i les eines EDA, amb un cost experimental mínim. Quart, es proposa un kit d'eines (DAVOS) que automatitza i incorpora amb eficàcia els processos orientats a la confiabilitat en el flux de disseny semicustom. Finalment, es demostra la utilitat i eficàcia de les propostes mitjançant un cas d'estudi en el qual s'implementen tres processadors encastats en un FPGA de Xilinx serie 7.[EN] Embedded systems are steadily extending their application areas, dealing with increasing requirements in performance, power consumption, and area (PPA). Whenever embedded systems are used in safety-critical applications, they must also meet rigorous dependability requirements to guarantee their correct operation during an extended period of time. Meeting these requirements is especially challenging for those systems that are based on Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), since they are very susceptible to Single Event Upsets. This leads to increased dependability threats, especially in harsh environments. In such a way, dependability should be considered as one of the primary criteria for decision making throughout the whole design flow, which should be complemented by several dependability-driven processes. First, dependability assessment quantifies the robustness of hardware designs against faults and identifies their weak points. Second, dependability-driven verification ensures the correctness and efficiency of fault mitigation mechanisms. Third, dependability benchmarking allows designers to select (from a dependability perspective) the most suitable IP cores, implementation technologies, and electronic design automation (EDA) tools. Finally, dependability-aware design space exploration (DSE) allows to optimally configure the selected IP cores and EDA tools to improve as much as possible the dependability and PPA features of resulting implementations. The aforementioned processes rely on fault injection testing to quantify the robustness of the designed systems. Despite nowadays there exists a wide variety of fault injection solutions, several important problems still should be addressed to better cover the needs of a dependability-driven design flow. In particular, simulation-based fault injection (SBFI) should be adapted to implementation-level HDL models to take into account the architecture of diverse logic primitives, while keeping the injection procedures generic and low-intrusive. Likewise, the granularity of FPGA-based fault injection (FFI) should be refined to the enable accurate identification of weak points in FPGA-based designs. Another important challenge, that dependability-driven processes face in practice, is the reduction of SBFI and FFI experimental effort. The high complexity of modern designs raises the experimental effort beyond the available time budgets, even in simple dependability assessment scenarios, and it becomes prohibitive in presence of alternative design configurations. Finally, dependability-driven processes lack an instrumental support covering the semicustom design flow in all its variety of description languages, implementation technologies, and EDA tools. Existing fault injection tools only partially cover the individual stages of the design flow, being usually specific to a particular design representation level and implementation technology. This work addresses the aforementioned challenges by efficiently integrating dependability-driven processes into the design flow. First, it proposes new SBFI and FFI approaches that enable an accurate and detailed dependability assessment at different levels of the design flow. Second, it improves the performance of dependability-driven processes by defining new techniques for accelerating SBFI and FFI experiments. Third, it defines two DSE strategies that enable the optimal dependability-aware tuning of IP cores and EDA tools, while reducing as much as possible the robustness evaluation effort. Fourth, it proposes a new toolkit (DAVOS) that automates and seamlessly integrates the aforementioned dependability-driven processes into the semicustom design flow. Finally, it illustrates the usefulness and efficiency of these proposals through a case study consisting of three soft-core embedded processors implemented on a Xilinx 7-series SoC FPGA.Tuzov, I. (2020). Dependability-driven Strategies to Improve the Design and Verification of Safety-Critical HDL-based Embedded Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159883TESI

Contributions to the fault tolerance of soft-core processors implemented in SRAM-based FPGA Systems.

239 p.Gracias al desarrollo de las tecnologías de diseño y fabricación, los circuitos electrónicos han llegado a grandes niveles de integración. De esta forma, hoy en día es posible implementar completos y complejos sistemas dentro de un único dispositivo incorporando gran variedad de elementos como: procesadores, osciladores, lazos de seguimiento de fase (PLLs), interfaces, conversores ADC y DAC, módulos de memoria, etc. A este concepto de diseño se le denomina comúnmente SoC (System-on-Chip). Una de las plataformas para implementar estos sistemas que más importancia está cobrando son las FPGAs (Field Programmable Gate Array). Históricamente la plataforma más utilizada para albergar los SoCs han sido las ASICs (Application- Specific Integrated Circuits), debido a su bajo consumo energético y su gran rendimiento. No obstante, su costoso proceso de desarrollo y fabricación hace que solo sean rentables en el caso de producciones masivas. Las FPGAs, por el contrario, al ser dispositivos configurables ofrecen, la posibilidad de implementar diseños personalizados a un coste mucho más reducido. Por otro lado, los continuos avances en la tecnología de las FPGAs están haciendo que éstas compitan con las ASICs a nivel de prestaciones (consumo, nivel de integración y eficiencia). Ciertas tecnologías de FPGA, como las SRAM y Flash, poseen una característica que las hace especialmente interesantes en multitud de diseños: la capacidad de reconfiguración. Dicha característica, que incluso puede ser realizada de forma autónoma, permite cambiar completamente el diseño hardware implementado con solo cargar en la FPGA un archivo de configuración denominado bitstream. La reconfiguración puede incluso permitir modificar una parte del circuito configurado en la matriz de la FPGA, mientras el resto del circuito implementado continua inalterado. Esto que se conoce como reconfiguración parcial dinámica, posibilita que un mismo chip albergue en su interior numerosos diseños hardware que pueden ser cargados a demanda. Gracias a la capacidad de reconfiguración, las FPGAs ofrecen numerosas ventajas como: posibilidad de personalización de diseños, capacidad de readaptación durante el funcionamiento para responder a cambios o corregir errores, mitigación de obsolescencia, diferenciación, menores costes de diseño o reducido tiempo para el lanzamiento de productos al mercado. Los SoC basados en FPGAs allanan el camino hacia un nuevo concepto de integración de hardware y software, permitiendo que los diseñadores de sistemas electrónicos sean capaces de integrar procesadores embebidos en los diseños para beneficiarse de su gran capacidad de computación. Gracias a esto, una parte importante de la electrónica hace uso de la tecnología FPGA abarcando un gran abanico de campos, como por ejemplo: la electrónica de consumo y el entretenimiento, la medicina o industrias como la espacial, la aviónica, la automovilística o la militar. Las tecnologías de FPGA existentes ofrecen dos vías de utilización de procesado- res embebidos: procesadores hardcore y procesadores softcore. Los hardcore son procesadores discretos integrados en el mismo chip de la FPGA. Generalmente ofrecen altas frecuencias de trabajo y una mayor previsibilidad en términos de rendimiento y uso del área, pero su diseño hardware no puede alterarse para ser personalizado. Por otro lado, un procesador soft-core, es la descripción hardware en lenguaje HDL (normalmente VDHL o Verilog) de un procesador, sintetizable e implementable en una FPGA. Habitualmente, los procesadores softcore suelen basarse en diseños hardware ya existentes, siendo compatibles con sus juegos de instrucciones, muchos de ellos en forma de IP cores (Intellectual Property co- res). Los IP cores ofrecen procesadores softcore prediseñados y testeados, que dependiendo del caso pueden ser de pago, gratuitos u otro tipo de licencias. Debido a su naturaleza, los procesadores softcore, pueden ser personalizados para una adaptación óptima a diseños específicos. Así mismo, ofrecen la posibilidad de integrar en el diseño tantos procesadores como se desee (siempre que haya disponibles recursos lógicos suficientes). Otra ventaja importante es que, gracias a la reconfiguración parcial dinámica, es posible añadir el procesador al diseño únicamente en los casos necesarios, ahorrando de esta forma, recursos lógicos y consumo energético. Uno de los mayores problemas que surgen al usar dispositivos basados en las tecnologías SRAM o la flash, como es el caso de las FPGAs, es que son especialmente sensibles a los efectos producidos por partículas energéticas provenientes de la radiación cósmica (como protones, neutrones, partículas alfa u otros iones pesados) denominados efectos de eventos simples o SEEs (Single Event Effects). Estos efectos pueden ocasionar diferentes tipos de fallos en los sistemas: desde fallos despreciables hasta fallos realmente graves que comprometan la funcionalidad del sistema. El correcto funcionamiento de los sistemas cobra especial relevancia cuando se trata de tecnologías de elevado costo o aquellas en las que peligran vidas humanas, como, por ejemplo, en campos tales como el transporte ferroviario, la automoción, la aviónica o la industria aeroespacial. Dependiendo de distintos factores, los SEEs pueden causar fallos de operación transitorios, cambios de estados lógicos o daños permanentes en el dispositivo. Cuando se trata de un fallo físico permanente se denomina hard-error, mientras que cuando el fallo afecta el circuito momentáneamente se denomina soft-error. Los SEEs más frecuentes son los soft-errors y afectan tanto a aplicaciones comerciales a nivel terrestre, como a aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales (con mayor incidencia en estas últimas). La contribución exacta de este tipo de fallos a la tasa de errores depende del diseño específico de cada circuito, pero en general se asume que entorno al 90 % de la tasa de error se debe a fallos en elementos de memoria (latches, biestables o celdas de memoria). Los soft-errors pueden afectar tanto al circuito lógico como al bitstream cargado en la memoria de configuración de la FPGA. Debido a su gran tamaño, la memoria de configuración tiene más probabilidades de ser afectada por un SEE. La existencia de problemas generados por estos efectos reafirma la importancia del concepto de tolerancia a fallos. La tolerancia a fallos es una propiedad relativa a los sistemas digitales, por la cual se asegura cierta calidad en el funcionamiento ante la presencia de fallos, debiendo los sistemas poder soportar los efectos de dichos fallos y funcionar correctamente en todo momento. Por tanto, para lograr un diseño robusto, es necesario garantizar la funcionalidad de los circuitos y asegurar la seguridad y confiabilidad en las aplicaciones críticas que puedan verse comprometidos por los SEE. A la hora de hacer frente a los SEE existe la posibilidad de explotar tecnologías específicas centradas en la tolerancia a fallos, como por ejemplo las FPGAs de tipo fusible, o, por otro lado, utilizar la tecnología comercial combinada con técnicas de tolerancia a fallos. Esta última opción va cobrando importancia debido al menor precio y mayores prestaciones de las FPGAs comerciales. Generalmente las técnicas de endurecimiento se aplican durante la fase de diseño. Existe un gran número de técnicas y se pueden llegar a combinar entre sí. Las técnicas prevalentes se basan en emplear algún tipo de redundancia, ya sea hardware, software, temporal o de información. Cada tipo de técnica presenta diferentes ventajas e inconvenientes y se centra en atacar distintos tipos de SEE y sus efectos. Dentro de las técnicas de tipo redundancia, la más utilizada es la hardware, que se basa en replicar el modulo a endurecer. De esta forma, cada una de las réplicas es alimentada con la misma entrada y sus salidas son comparadas para detectar discrepancias. Esta redundancia puede implementarse a diferentes niveles. En términos generales, un mayor nivel de redundancia hardware implica una mayor robustez, pero también incrementa el uso de recursos. Este incremento en el uso de recursos de una FPGA supone tener menos recursos disponibles para el diseño, mayor consumo energético, el tener más elementos susceptibles de ser afectados por un SEE y generalmente, una reducción de la máxima frecuencia alcanzable por el diseño. Por ello, los niveles de redundancia hardware más utilizados son la doble, conocida como DMR (Dual Modular Redundancy) y la triple o TMR (Triple Modular Redundancy). La DMR minimiza el número de recursos redundantes, pero presenta el problema de no poder identificar el módulo fallido ya que solo es capaz de detectar que se ha producido un error. Ello hace necesario combinarlo con técnicas adicionales. Al caso de DMR aplicado a procesadores se le denomina lockstep y se suele combinar con las técnicas checkpoint y rollback recovery. El checkpoint consiste en guardar periódicamente el contexto (contenido de registros y memorias) de instantes identificados como correctos. Gracias a esto, una vez detectado y reparado un fallo es posible emplear el rollback recovery para cargar el último contexto correcto guardado. Las desventajas de estas estrategias son el tiempo requerido por ambas técnicas (checkpoint y rollback recovery) y la necesidad de elementos adicionales (como memorias auxiliares para guardar el contexto). Por otro lado, el TMR ofrece la posibilidad de detectar el módulo fallido mediante la votación por mayoría. Es decir, si tras comparar las tres salidas una de ellas presenta un estado distinto, se asume que las otras dos son correctas. Esto permite que el sistema continúe funcionando correctamente (como sistema DMR) aun cuando uno de los módulos quede inutilizado. En todo caso, el TMR solo enmascara los errores, es decir, no los corrige. Una de las desventajas más destacables de esta técnica es que incrementa el uso de recursos en más de un 300 %. También cabe la posibilidad de que la salida discrepante sea la realmente correcta (y que, por tanto, las otras dos sean incorrectas), aunque este caso es bastante improbable. Uno de los problemas que no se ha analizado con profundidad en la bibliografía es el problema de la sincronización de procesadores soft-core en sistemas TMR (o de mayor nivel de redundancia). Dicho problema reside en que, si tras un fallo se inutiliza uno de los procesadores y el sistema continúa funcionando con el resto de procesadores, una vez reparado el procesador fallido éste necesita sincronizar su contexto al nuevo estado del sistema. Una práctica bastante común en la implementación de sistemas redundantes es combinarlos con la técnica conocida como scrubbing. Esta técnica basada en la reconfiguración parcial dinámica, consiste en sobrescribir periódicamente el bitstream con una copia libre de errores apropiadamente guardada. Gracias a ella, es posible corregir los errores enmascarados por el uso de algunas técnicas de endurecimiento como la redundancia hardware. Esta copia libre de errores suele omitir los bits del bitstream correspondientes a la memoria de usuario, por lo que solo actualiza los bits relacionados con la configuración de la FPGA. Por ello, a esta técnica también se la conoce como configuration scrubbing. En toda la literatura consultada se ha detectado un vacío en cuanto a técnicas que propongan estrategias de scrubbing para la memoria de usuario. Con el objetivo de proponer alternativas innovadoras en el terreno de la tolerancia a fallos para procesadores softcore, en este trabajo de investigación se han desarrollado varias técnicas y flujos de diseño para manejar los datos de usuario a través del bitstream, pudiendo leer, escribir o copiar la información de registros o de memorias implementadas en bloques RAMs de forma autónoma. Así mismo se ha desarrollado un abanico de propuestas tanto como para estrategias lockstep como para la sincronización de sistemas TMR, de las cuales varias hacen uso de las técnicas desarrolladas para manejar las memorias de usuario a través del bitstream. Estas últimas técnicas tienen en común la minimización de utilización de recursos respecto a las estrategias tradicionales. De forma similar, se proponen dos alternativas adicionales basadas en dichas técnicas: una propuesta de scrubbing para las memorias de usuario y una para la recuperación de información en memorias implementadas en bloques RAM cuyas interfaces hayan sido inutilizadas por SEEs.Todas las propuestas han sido validadas en hardware utilizando una FPGA de Xilinx, la empresa líder en fabricación de dispositivos reconfigurables. De esta forma se proporcionan resultados sobre los impactos de las técnicas propuestas en términos de utilización de recursos, consumos energéticos y máximas frecuencias alcanzables

Run-time management for future MPSoC platforms

In recent years, we are witnessing the dawning of the Multi-Processor Systemon- Chip (MPSoC) era. In essence, this era is triggered by the need to handle more complex applications, while reducing overall cost of embedded (handheld) devices. This cost will mainly be determined by the cost of the hardware platform and the cost of designing applications for that platform. The cost of a hardware platform will partly depend on its production volume. In turn, this means that ??exible, (easily) programmable multi-purpose platforms will exhibit a lower cost. A multi-purpose platform not only requires ??exibility, but should also combine a high performance with a low power consumption. To this end, MPSoC devices integrate computer architectural properties of various computing domains. Just like large-scale parallel and distributed systems, they contain multiple heterogeneous processing elements interconnected by a scalable, network-like structure. This helps in achieving scalable high performance. As in most mobile or portable embedded systems, there is a need for low-power operation and real-time behavior. The cost of designing applications is equally important. Indeed, the actual value of future MPSoC devices is not contained within the embedded multiprocessor IC, but in their capability to provide the user of the device with an amount of services or experiences. So from an application viewpoint, MPSoCs are designed to ef??ciently process multimedia content in applications like video players, video conferencing, 3D gaming, augmented reality, etc. Such applications typically require a lot of processing power and a signi??cant amount of memory. To keep up with ever evolving user needs and with new application standards appearing at a fast pace, MPSoC platforms need to be be easily programmable. Application scalability, i.e. the ability to use just enough platform resources according to the user requirements and with respect to the device capabilities is also an important factor. Hence scalability, ??exibility, real-time behavior, a high performance, a low power consumption and, ??nally, programmability are key components in realizing the success of MPSoC platforms. The run-time manager is logically located between the application layer en the platform layer. It has a crucial role in realizing these MPSoC requirements. As it abstracts the platform hardware, it improves platform programmability. By deciding on resource assignment at run-time and based on the performance requirements of the user, the needs of the application and the capabilities of the platform, it contributes to ??exibility, scalability and to low power operation. As it has an arbiter function between different applications, it enables real-time behavior. This thesis details the key components of such an MPSoC run-time manager and provides a proof-of-concept implementation. These key components include application quality management algorithms linked to MPSoC resource management mechanisms and policies, adapted to the provided MPSoC platform services. First, we describe the role, the responsibilities and the boundary conditions of an MPSoC run-time manager in a generic way. This includes a de??nition of the multiprocessor run-time management design space, a description of the run-time manager design trade-offs and a brief discussion on how these trade-offs affect the key MPSoC requirements. This design space de??nition and the trade-offs are illustrated based on ongoing research and on existing commercial and academic multiprocessor run-time management solutions. Consequently, we introduce a fast and ef??cient resource allocation heuristic that considers FPGA fabric properties such as fragmentation. In addition, this thesis introduces a novel task assignment algorithm for handling soft IP cores denoted as hierarchical con??guration. Hierarchical con??guration managed by the run-time manager enables easier application design and increases the run-time spatial mapping freedom. In turn, this improves the performance of the resource assignment algorithm. Furthermore, we introduce run-time task migration components. We detail a new run-time task migration policy closely coupled to the run-time resource assignment algorithm. In addition to detailing a design-environment supported mechanism that enables moving tasks between an ISP and ??ne-grained recon??gurable hardware, we also propose two novel task migration mechanisms tailored to the Network-on-Chip environment. Finally, we propose a novel mechanism for task migration initiation, based on reusing debug registers in modern embedded microprocessors. We propose a reactive on-chip communication management mechanism. We show that by exploiting an injection rate control mechanism it is possible to provide a communication management system capable of providing a soft (reactive) QoS in a NoC. We introduce a novel, platform independent run-time algorithm to perform quality management, i.e. to select an application quality operating point at run-time based on the user requirements and the available platform resources, as reported by the resource manager. This contribution also proposes a novel way to manage the interaction between the quality manager and the resource manager. In order to have a the realistic, reproducible and ??exible run-time manager testbench with respect to applications with multiple quality levels and implementation tradev offs, we have created an input data generation tool denoted Pareto Surfaces For Free (PSFF). The the PSFF tool is, to the best of our knowledge, the ??rst tool that generates multiple realistic application operating points either based on pro??ling information of a real-life application or based on a designer-controlled random generator. Finally, we provide a proof-of-concept demonstrator that combines these concepts and shows how these mechanisms and policies can operate for real-life situations. In addition, we show that the proposed solutions can be integrated into existing platform operating systems

Distributed computing in space-based wireless sensor networks

This thesis investigates the application of distributed computing in general and wireless sensor networks in particular to space applications. Particularly, the thesis addresses issues related to the design of "space-based wireless sensor networks" that consist of ultra-small satellite nodes flying together in close formations. The design space of space-based wireless sensor networks is explored. Consequently, a methodology for designing space-based wireless sensor networks is proposed that is based on a modular architecture. The hardware modules take the form of 3-D Multi-Chip Modules (MCM). The design of hardware modules is demonstrated by designing a representative on-board computer module. The onboard computer module contains an FPGA which includes a system-on-chip architecture that is based on soft components and provides a degree of flexibility at the later stages of the design of the mission.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

매니코어 NoC 아키텍처에 대한 고속 사이클-근사 시뮬레이션 기법

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2017. 2. 하순회.Simulation is a software technique that uses the current available architecture to prototype a future architecture. In computer architecture research, simulation techniques are one of the most important skills. Simulation techniques enable us to obtain important performance indicators of new architectures and to perform the design space exploration using these metrics. Furthermore, the simulator enables rapid software development and optimization on the architecture that does not exist. Despite various known problems, such as slow speed or coverage issue, the reliance on simulation technology in computer architecture research continues to increase. As the density of transistor increases and the performance improvement of the single core hits the ceiling, the newly constructed architectures usually consist of multi/many cores with the network-on-chip, which enables scalable communications. In addition, the implementation of the application itself has also been complicated to effectively utilize these parallel architectures. Thus, simulators for parallel architectures and parallel applications have become extremely complex, and existing sequential simulators no longer simulate these systems at a realistic time. While many of parallel simulation techniques are being developed to solve these problems, they suffer from poor simulation performance or accuracy. In this thesis, we propose and evaluate a novel many-core simulation technique that can obtain the best simulation performance at the cost of minimum simulation error. The proposed parallel many-core simulator is divided into three parts: 1) core simulator, 2) network-on-chip simulator, and 3) simulation backplane. Each core is executed by a core simulator, which communicates with the external simulation backplane via the Interprocess Communication (IPC). Each core simulation is performed individually in a separate host processor. The simulation backplane arranges messages from each core into chronological order, passes them to destination modules, and simulates hardware components other than cores. If the simulation backplane generates a request requiring NoC communication, this request is forwarded to the network simulator and is simulated at the most accurate accuracy level. In this thesis, we proposed a novel core simulation model, which combined analytical and sampled simulations. The core simulator presents 11.36 to 44.31 MIPS performance, while the simulation error is approximately 8 percent. The standalone core simulator is released as an open-source. We confirmed that NoC simulation has a great effect on the reliability of outputs generated from many-core simulation. First, existing flit-level NoC simulators were analyzed at source-code level. Based on the observations, various implementations were evaluated and various software optimizations was applied to improve the network simulation performance. The proposed NoC simulator presents more than 100KCycles/s performance unless the packet injection rate exceeds 0.00625, which is two times faster than state-of-the-arts NoC simulator at least. The speed of the simulation backplane depends greatly on the IPC overhead and SystemC scheduling overhead. To reduce the IPC overhead, the trace-driven co-simulation technique is used, faster IPC is introduced, and the segmented L1 data cache is embedded in a core simulator. In addition, to reduce SystemC scheduling overhead, it is important to reduce the number of modules that are simultaneously awakened. To this end, slave modules are redesigned to be activated only based on an event. A new scheduler parallelization technique is also studied. Although the newly developed SystemC parallel scheduler showed good performance under limited conditions, we also confirmed that no performance improvement was found in the TLM level many-core simulator developed in this thesis. While the proposed many-core simulator uses the conservative synchronization technique which is free from causality errors and performs an accurate flit-level NoC simulation, the simulation performance is still acceptable, thanks to parallelism and optimizations. Additionally, the simulator is highly scalable to add other modules because the simulation backplane is developed to be compatible with SystemC TLM 2.0 standard. Although extensive experiments on accuracy are not conducted, it will be complemented when a detailed specification of the target architecture is given. This dissertation can be a reference to the development of a many-core simulator, which will be more essential in the future.Chapter 1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Contribution 4 1.3 Dissertation Organization 5 Chapter 2 Background and Existing Research 6 2.1 Terminologies 6 2.1.1 Simulation Host / Simulation Target 6 2.1.2 Simulated Time / Simulation Time 2.1.3 User-level Simulation / Full-system Simulation 7 2.1.4 Execution-driven Simulation / Trace-driven Simulation 7 2.2 State-of-the-arts Many-core Simulators 8 2.2.1 Gem5 8 2.2.2 Marss 9 2.2.3 Sniper 9 2.2.4 Zsim 9 2.2.5 Manifold 10 2.2.6 Hornet 10 2.2.7 Summary 11 2.3 Host and Target Architecture 12 Chapter 3 Core Simulation 14 3.1 Overview 14 3.2 Related Works 16 3.2.1 Timing Models 16 3.2.2 Analytical Model: Interval Simulation 19 3.3 Sampling Mechanism 23 3.3.1 Sampling Configuration 24 3.3.2 Parameter Extraction 24 3.4 Trace Analyzer 27 3.4.1 Dependency Analysis 29 3.4.2 Life Cycle of An Instruction 31 3.5 Experimental Results 32 3.5.1 Time-accuracy Trade-off 34 3.5.2 Simulation Accuracy 37 3.5.3 Simulation Performance 41 3.6 Discussion 42 Chapter 4 NoC Simulation 45 4.1 Network-on-chip 45 4.2 Motivation 46 4.3 Related Works 48 4.3.1 Noxim 49 4.3.2 Booksim2 50 4.3.3 Garnet 51 4.4 Proposed Approach 51 4.4.1 Implementations 51 4.4.2 Optimizations 54 4.5 Experimental Results 56 4.5.1 Impact of Implementations and Optimizations 56 4.5.2 Comparison with Other State-Of-The-Arts 58 4.5.3 Performance Evaluation For Various Configurations 59 4.5.4 Full-System Simulation Accuracy Impact 59 4.5.5 Accuracy 61 4.6 Discussion 61 Chapter 5 Simulation Backplane 63 5.1 Overview 63 5.2 Background 65 5.2.1 SystemC 65 5.2.2 OSCI Transaction Level Modeling Standard 2.0 66 5.2.3 Synchronization Techniques 67 5.3 SystemC Models for the Target Architecture 69 5.4 Reducing the Cost of Interprocess Communications 71 5.4.1 Trace-driven Co-simulation 71 5.4.2 Better Interprocess Communication 73 5.4.3 Virtually embedding modules to core simulator 74 5.5 Reducing SystemC Scheduling Overhead 76 5.5.1 Event-based Slave Module Activation 76 5.5.2 SystemC Scheduler Parallelization 78 5.6 Evaluation 79 5.6.1 Scalability Test 79 5.6.2 Simulation Performance 79 5.6.3 Simulation Accuracy 80 Chapter 6 Simulation Backplane Parallelization 81 6.1 Background: OSCI SystemC Scheduler 81 6.2 Related Work: SystemC Parallelization Techniques 82 6.2.1 Fully-synchronous Approach 82 6.2.2 Parallel Distributed Event Scheduling (PDES) Approach 82 6.2.3 Out-of-order Execution with Dependency Analysis 83 6.2.4 Dynamic Offloading Approach 84 6.3 Proposed Technique 84 6.3.1 Basic Synchronization 85 6.3.2 Relaxed Synchronization 86 6.3.3 Modeling Restrictions 88 6.4 Experimental Results 89 6.4.1 Performance 90 6.4.2 Accuracy 92 6.5 Discussion and Limitation 93 Chapter 7 Conclusion 95 Bibliography 97 요약 107Docto