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

Reconfigurable Video Coding on multicore : an overview of its main objectives

International audienceThe current monolithic and lengthy scheme behind the standardization and the design of new video coding standards is becoming inappropriate to satisfy the dynamism and changing needs of the video coding community. Such scheme and specification formalism does not allow the clear commonalities between the different codecs to be shown, at the level of the specification nor at the level of the implementation. Such a problem is one of the main reasons for the typically long interval elapsing between the time a new idea is validated until it is implemented in consumer products as part of a worldwide standard. The analysis of this problem originated a new standard initiative within the International Organization for Standardization (ISO)/ International Electrotechnical Commission (IEC) Moving Pictures Experts Group (MPEG) committee, namely Reconfigurable Video Coding (RVC). The main idea is to develop a video coding standard that overcomes many shortcomings of the current standardization and specification process by updating and progressively incrementing a modular library of components. As the name implies, flexibility and reconfigurability are new attractive features of the RVC standard. Besides allowing for the definition of new codec algorithms, such features, as well as the dataflow-based specification formalism, open the way to define video coding standards that expressly target implementations on platforms with multiple cores. This article provides an overview of the main objectives of the new RVC standard, with an emphasis on the features that enable efficient implementation on platforms with multiple cores. A brief introduction to the methodologies that efficiently map RVC codec specifications to multicore platforms is accompanied with an example of the possible breakthroughs that are expected to occur in the design and deployment of multimedia services on multicore platforms

A Networked Dataflow Simulation Environment for Signal Processing and Data Mining Applications

In networked signal processing systems, dataflow graphs can be used to describe the processing on individual network nodes. However, to analyze the correctness and performance of these systems, designers must understand the interactions across these individual "node-level'' dataflow graphs --- as they communicate across the network --- in addition to the characteristics of the individual graphs. In this thesis, we present a novel simulation environment, called the NS-2 -- TDIF SIMulation environment (NT-SIM). NT-SIM provides integrated co-simulation of networked systems and combines the network analysis capabilities provided by the Network Simulator (ns) with the scheduling capabilities of a dataflow-based framework, thereby providing novel features for more comprehensive simulation of networked signal processing systems. Through a novel integration of advanced tools for network and dataflow graph simulation, our NT-SIM environment allows comprehensive simulation and analysis of networked systems. We present two case studies that concretely demonstrate the utility of NT-SIM in the contexts of a heterogeneous signal processing and data mining system design

MPEG Reconfigurable Video Coding: From specification to a reconfigurable implementation

International audienceThis paper demonstrates that it is possible to produce automatic, reconfigurable, and portable implementations of multimedia decoders onto platforms with the help of the MPEG Reconfigurable Video Coding (RVC) standard. MPEG RVC is a new formalism standardized by the MPEGconsortium used to specify multimedia decoders. It produces visual representations of decoder reference software, with the help of graphs that connect several coding tools from MPEG standards. The approach developed in this paper draws on Dataflow Process Networks to produce a Minimal and Canonical Representation (MCR) of \MPEG\ \RVC\ specifications. The \MCR\ makes it possible to form automatic and reconfigurable implementations of decoders which can match any actual platforms. The contribution is demonstrated on one case study where a generic decoder needs to process a multimedia content with the help of the \RVC\ specification of the decoder required to process it. The overall approach is tested on two decoders from MPEG, namely MPEG-4 part 2 Simple Profile and MPEG-4 part 10 Constrained Baseline Profile. The results validate the following benefits on the \MCR\ of decoders: compact representation, low overhead induced by its compilation, reconfiguration and multi-core abilities

Adaptivity in High-Performance Embedded Systems: a Reactive Control Model for Reliable and Flexible Design

International audienceSystem adaptivity is increasingly demanded in high-performance embedded systems, particularly in multimedia System-on-Chip (SoC), due to growing Quality of Service requirements. This paper presents a reactive control model that has been introduced in Gaspard, our framework dedicated to SoC hardware/software co-design. This model aims at expressing adaptivity as well as reconfigurability in systems performing data-intensive computations. It is generic enough to be used for description in the different parts of an embedded system, e.g. specification of how different data-intensive algorithms can be chosen according to some computation modes at the functional level; expression of how hardware components can be selected via the usage of a library of Intellectual Properties (IPs) according to execution performances. The transformation of this model towards synchronous languages is also presented, in order to allow an automatic code generation usable for formal verification, based of techniques such as model checking and controller synthesis as illustrated in the paper. This work, based on Model-Driven Engineering and the standard UML MARTE profile, has been implemented in Gaspard

A Compilation Flow for Parametric Dataflow: Programming Model, Scheduling, and Application to Heterogeneous MPSoC

International audienceEfficient programming of signal processing applications on embedded systems is a complex problem. High level models such as Synchronous dataflow (SDF) have been privileged candidates for dealing with this complexity. These models permit to express inherent application parallelism, as well as analysis for both verification and optimization. Parametric dataflow models aim at providing sufficient dynamicity to model new applications, while at the same time maintaining the high level of analyzability needed for efficient real life implementations. This paper presents a new compilation flow that targets parametric dataflows. Built on the LLVM compiler infrastructure, it offers an actor based C++ programming model to describe parametric graphs, a compilation front-end providing graph analysis features, and a retargetable back-end to map the application on real hardware. This paper gives an overview of this flow, with a specific focus on scheduling. The crucial gap between dataflow models and real hardware on which actor firing is not atomic, as well as the consequences on FIFOs sizing and execution pipelining are taken into account.The experimental results illustrate our compilation flow applied to compilation of 3GPP LTE-Advanced demodulation on a heterogeneous MPSoC with distributed scheduling features. This achieves performances similar to time-consuming hand made optimizations

Генерация потоковых сетей акторов поиска кратчайших путей для параллельной многоядерной реализации

Objectives. The problem of parallelizing computations on multicore systems is considered. On the Floyd – Warshall blocked algorithm of shortest paths search in dense graphs of large size, two types of parallelism are compared: fork-join and network dataflow. Using the CAL programming language, a method of developing actors and an algorithm of generating parallel dataflow networks are proposed. The objective is to improve performance of parallel implementations of algorithms which have the property of partial order of computations on multicore processors.Methods. Methods of graph theory, algorithm theory, parallelization theory and formal language theory are used.Results. Claims about the possibility of reordering calculations in the blocked Floyd – Warshall algorithm are proved, which make it possible to achieve a greater load of cores during algorithm execution. Based on the claims, a method of constructing actors in the CAL language is developed and an algorithm for automatic generation of dataflow CAL networks for various configurations of block matrices describing the lengths of the shortest paths is proposed. It is proved that the networks have the properties of rate consistency, boundedness, and liveness. In actors running in parallel, the order of execution of actions with asynchronous behavior can change dynamically, resulting in efficient use of caches and increased core load. To implement the new features of actors, networks and the method of their generation, a tunable multi-threaded CAL engine has been developed that implements a static dataflow model of computation with bounded sizes of buffers. From the experimental results obtained on four types of multi-core processors it follows that there is an optimal size of the network matrix of actors for which the performance is maximum, and the size depends on the number of cores and the size of graph.Conclusion. It has been shown that dataflow networks of actors are an effective means to parallelize computationally intensive algorithms that describe a partial order of computations over decomposed data. The results obtained on the blocked algorithm of shortest paths search prove that the parallelism of dataflow networks gives higher performance of software implementations on multicore processors in comparison with the fork-join parallelism of OpenMP.Цели. Рассматривается задача распараллеливания вычислений на многоядерных системах. Посредством блочного алгоритма Флойда – Уоршалла поиска кратчайших путей на плотных графах большого размера сравниваются два вида параллелизма: разветвление/слияние и сетевой потоковый. С использованием языка программирования CAL разрабатываются метод построения акторов потока данных и алгоритм генерации параллельных сетей акторов. Целью работы является повышение производительности параллельных сетевых реализаций алгоритмов, обладающих свойством частичного порядка вычислений, на многоядерных процессорах.Методы. Используются методы теории графов, теории алгоритмов, теории распараллеливания, теории формальных языков.Результаты. Доказаны утверждения о возможности переупорядочивания вычислений в блочном алгоритме Флойда – Уоршалла, способствующие повышению загрузки ядер при реализации алгоритма. На основе утверждений разработан метод построения акторов на языке CAL и предложен алгоритм автоматической генерации CAL-сетей потока данных для различных конфигураций матриц блоков, описывающих длины кратчайших путей. Доказано, что сети обладают свойствами согласованности, ограниченности и живучести. В акторах, работающих параллельно, порядок выполнения действий с асинхронным поведением может динамически меняться, что приводит к эффективному использованию кэшей и увеличению загрузки ядер. Для реализации новых возможностей акторов, сетей и метода их генерации разработан настраиваемый многопоточный CAL-движок, реализующий статическую модель потоковых вычислений с ограниченными размерами буферов. Из экспериментальных результатов, полученных на четырех типах многоядерных процессоров, следует, что существует оптимальный размер сетевой матрицы акторов, для которого производительность максимальна, и этот размер зависит от размера графа и количества ядер.Заключение. Показано, что сети акторов потока данных являются эффективным средством распарал-леливания алгоритмов с высокой вычислительной нагрузкой, описывающих частичный порядок вычислений над данными, декомпозированными на части. Результаты, полученные на блочном алгоритме поиска кратчайших путей, показали, что параллелизм сетей потока данных дает более высокую производительность программных реализаций на многоядерных процессорах по сравнению с параллелизмом разветвления/слияния стандарта OpenMP

Predictable multi-processor system on chip design for multimedia applications

The design of multimedia systems has become increasingly complex due to consumer requirements. Consumers demand the functionalities offered by a huge desktop from these systems. Many of these systems are mobile. Therefore, power consumption and size of these devices should be small. These systems are increasingly becoming multi-processor based (MPSoCs) for the reasons of power and performance. Applications execute on these systems in different combinations also known as use-cases. Applications may have different performance requirements in each use-case. Currently, verification of all these use-cases takes bulk of the design effort. There is a need for analysis based techniques so that the platforms have a predictable behaviour and in turn provide guarantees on performance without expending precious man hours on verification. In this dissertation, techniques and architectures have been developed to design and manage these multi-processor based systems efficiently. The dissertation presents predictable architectural components for MPSoCs, a Predictable MPSoC design strategy, automatic platform synthesis tool, a run-time system and an MPSoC simulation technique. The introduction of predictability helps in rapid design of MPSoC platforms. Chapter 1 of the thesis studies the trends in modern multimedia applications and processor architectures. The chapter further highlights the problems in the design of MPSoC platforms and emphasizes the need of predictable design techniques. Predictable design techniques require predictable application and architectural components. The chapter further elaborates on Synchronous Data Flow Graphs which are used to model the applications throughout this thesis. The chapter presents the architecture template used in this thesis and enlists the contributions of the thesis. One of the contributions of this thesis is the design of a predictable component called communication assist. Chapter 2 of the thesis describes the architecture of this communication assist. The communication assist presented in this thesis not only decouples the communication from computation but also provides timing guarantees. Based on this communication assist, an MPSoC platform generation technique has been presented that can design MPSoC platforms capable of satisfying the throughput constraints of multiple applications in all use-cases. The technique is presented in Chapter 3. The design strategy uses three simple steps for platform design. In the first step it finds the required number of processors. The second step minimizes the communication interconnect between the processors and the third step minimizes the communication memory requirement of the platform. Further in Chapter 4, a tool has been developed to generate CA-based platforms for FPGAs. The output of this tool can be used to synthesize platforms on real hardware with the help of FPGA synthesis tools. The applications executing on these platforms often exhibit dynamism e.g. variation in task execution times and change in application throughput requirements. Further, new applications may often be added by consumers at run-time. Resource managers have been presented in literature to handle such dynamic situations. However, the scalability of these resource managers becomes an issue with the increase in number of processors and applications. Chapter 5 presents distributed run-time resource management techniques. Two versions of distributed resource managers have been presented which are scalable with the number of applications and processors. MPSoC platforms for real-time applications are designed assuming worst-case task execution times. It is known that the difference between average-case and worst-case behaviour can be quite large. Therefore, knowing the average case performance is also important for the system designer, and software simulation is often employed to estimate this. However, simulation in software is slow and does not scale with the number of applications and processing elements. In Chapter 6, a fast and scalable simulation methodology is introduced that can simulate the execution of multiple applications on an MPSoC platform. It is based on parallel execution of SDF (Synchronous Data Flow) models of applications. The simulation methodology uses Parallel Discrete Event Simulation (PDES) primitives and it is termed as "Smart Conservative PDES". The methodology generates a parallel simulator which is synthesizable on FPGAs. The framework can also be used to model dynamic arbitration policies which are difficult to analyse using models. The generated platform is also useful in carrying out Design Space Exploration as shown in the thesis. Finally, Chapter 7 summarizes the main findings and (practical) implications of the studies described in previous chapters of this dissertation. Using the contributions mentioned in the thesis, a designer can design and implement predictable multiprocessor based systems capable of satisfying throughput constraints of multiple applications in given set of use-cases, and employ resource management strategies to deal with dynamism in the applications. The chapter also describes the main limitations of this dissertation and makes suggestions for future research