Hybrid prototyping of multicore embedded systems

Multicore platforms are becoming increasingly pervasive in modern embedded systems. System level modeling techniques have enabled creation of fast software models of multicore platforms, commonly known as Virtual Prototypes, for early functional validation of embedded software, before the hardware is available. On the other hand, for accurate performance validation, the complete multicore platform can be implemented as a physical prototype on FPGA. Both virtual platforms and FPGA prototypes have their respective pros and cons. Virtual platforms have the advantage of high speed functional simulation and, typically, scale well with the number of cores. However, the accuracy of performance estimation is sacrificed. FPGA prototypes provide cycle-accurate performance estimation, because the software executes directly on an FPGA implementation of the target cores. However, it takes a significant amount of time to design, implement and test the inter-core communication architecture on the FPGA. In this thesis we propose to design a novel system-level modeling framework, called Hybrid Prototyping. Our goal is to provide the benefits of both virtual platforms and FPGA prototypes. It aims to provide early, fast, and scalable models, similar to virtual platforms, along with the cycle-accuracy of FPGA prototypes. Using hybrid prototyping, embedded software designers will be able to create concurrent applications and accurately analyze the performance implication of their optimizations before the chip is delivered. At the same time, multicore architects will be able to modify the platform model without having to do full system prototyping. Therefore, hybrid prototyping will enable early and reliable multicore embedded system design, resulting in huge productivity gains for both embedded software designers and multicore chip architects

Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

Technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisationof society, impacting on economic, political, cultural and socialdimensions. At the peak of this realization, today, more and more everydaydevices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The futureholds the full connection and interaction of IT and communications systemsto the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offeringmeta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomoustransportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamicallyevolving market, computer engineers are required to implement computingplatforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover awide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliabilityand reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical andconstruction constraints. This thesis aims to address these design challenges bydeveloping methodologies and hardware/software co-design tools that enable therapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specifyoperating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesispresents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurableand application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architecturaltemplates for processing and communication acceleration and c) efficient multiobjectivesynthesis techniques both at high abstraction level of programming andphysical silicon level.Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodologyemploys virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reducesimulation time. An extension of this framework introduces the systemicco-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediateplatforms. Thus, the development cycle of a hardware/software productis accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop.Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correctiontechniques of design errors, as well as control methods of performancemetrics of the system according to the desired specifications, during all phasesof the system development. In orthogonal correlation with the aforementionedmethodological framework, a new architectural template is proposed, aiming atbridging the gap between design complexity and technological productivity usingspecialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and networkon-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardwareaccelerators and their respective programming software, including the tasks allocationto the available resources of the system/network. The introduced frameworkprovides implementation techniques for the accelerators, using either conventionalprogramming flows with hardware description language or abstract programmingmodel flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is providedthe option of systemic measures optimization, such as the processing speed,the throughput, the reliability, the power consumption and the design silicon area.Finally, on addressing the increased complexity in design tools of reconfigurablesystems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algo-rithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain natureof multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce theplacement time, while by simultaneously grouping the applications based on theirintrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively.The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodologyflows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applicationsfrom typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia andarithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, suchas a computer vision system for autonomous robotic space navigation and manyacceleratorsystems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthenthe belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to addresscomplex modern - and projected future - design challenges.Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έθεσαν τα θεμέλια εδραίωσης της πληροφοριοποίησης της κοινωνίας, επιδρώντας σε οικονομικές,πολιτικές, πολιτιστικές και κοινωνικές διαστάσεις. Στο απόγειο αυτής τη ςπραγμάτωσης, σήμερα, ολοένα και περισσότερες καθημερινές συσκευές συνδέονται στο παγκόσμιο ιστό, αποδίδοντας τον όρο «Ίντερνετ των πραγμάτων».Το μέλλον επιφυλάσσει την πλήρη σύνδεση και αλληλεπίδραση των συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών με τον φυσικό κόσμο, οριοθετώντας τη μετάβαση στα συστήματα φυσικού κυβερνοχώρου και προσφέροντας μεταυπηρεσίες στον φυσικό κόσμο όπως προσωποποιημένη ιατρική περίθαλψη, αυτόνομες μετακινήσεις, έξυπνες ενεργειακά πόλεις κ.α. . Σκιαγραφώντας τις ανάγκες αυτής της δυναμικά εξελισσόμενης αγοράς, οι μηχανικοί υπολογιστών καλούνται να υλοποιήσουν υπολογιστικές πλατφόρμες που αφενός ενσωματώνουν αυξημένη συστημική πολυπλοκότητα και αφετέρου καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μεταχαρακτηριστικών, όπως λ.χ. το κόστος σχεδιασμού, ο χρόνος σχεδιασμού, η αξιοπιστία και η επαναχρησιμοποίηση, τα οποία προδιαγράφονται από ένα αντικρουόμενο σύνολο λειτουργικών, τεχνολογικών και κατασκευαστικών περιορισμών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των παραπάνω σχεδιαστικών προκλήσεων, μέσω της ανάπτυξης μεθοδολογιών και εργαλείων συνσχεδίασης υλικού/λογισμικού που επιτρέπουν την ταχεία υλοποίηση καθώς και την αποδοτική σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων, οι οποίες προδιαγράφουν τα μετα-χαρακτηριστικά λειτουργίας που απαιτεί η σύγχρονη αγορά. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, παρουσιάζονται α) μεθοδολογίες επιτάχυνσης της ροής σχεδιασμού τόσο για επαναδιαμορφούμενες όσο και για εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές, β) ετερογενή αδρομερή αρχιτεκτονικά πρότυπα επιτάχυνσης επεξεργασίας και επικοινωνίας και γ) αποδοτικές τεχνικές πολυκριτηριακής σύνθεσης τόσο σε υψηλό αφαιρετικό επίπεδο προγραμματισμού,όσο και σε φυσικό επίπεδο πυριτίου.Αναφορικά προς την επιτάχυνση της ροής σχεδιασμού, προτείνεται μια μεθοδολογία που χρησιμοποιεί εικονικές πλατφόρμες, οι οποίες αφαιρώντας τις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες καταφέρνουν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο εξομοίωσης. Παράλληλα, εισηγείται η συστημική συν-εξομοίωση με τη χρήση επαναδιαμορφούμενων πλατφορμών, ως μέσων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο, ο κύκλος ανάπτυξης ενός προϊόντος υλικού, μετατεθειμένος από την κάθετη σειριακή ροή σε έναν κυκλικό αλληλεπιδραστικό βρόγχο, καθίσταται ταχύτερος, ενώ οι δυνατότητες προσομοίωσης εμπλουτίζονται με αποδοτικότερες μεθόδους εντοπισμού και διόρθωσης σχεδιαστικών σφαλμάτων, καθώς και μεθόδους ελέγχου των μετρικών απόδοσης του συστήματος σε σχέση με τις επιθυμητές προδιαγραφές, σε όλες τις φάσεις ανάπτυξης του συστήματος. Σε ορθογώνια συνάφεια με το προαναφερθέν μεθοδολογικό πλαίσιο, προτείνονται νέα αρχιτεκτονικά πρότυπα που στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της τεχνολογικής παραγωγικότητας, με τη χρήση συστημάτων εξειδικευμένων επιταχυντών υλικού σε ετερογενή συστήματα-σε-ψηφίδα καθώς και δίκτυα-σε-ψηφίδα. Παρουσιάζεται κατάλληλη μεθοδολογία συν-σχεδίασης των επιταχυντών υλικού και του λογισμικού προκειμένου να αποφασισθεί η κατανομή των εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του συστήματος/δικτύου. Το μεθοδολογικό πλαίσιο προβλέπει την υλοποίηση των επιταχυντών είτε με συμβατικές μεθόδους προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού είτε με αφαιρετικό προγραμματιστικό μοντέλο με τη χρήση τεχνικών υψηλού επιπέδου σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση, δίδεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή για βελτιστοποίηση συστημικών μετρικών, όπως η ταχύτητα επεξεργασίας, η ρυθμαπόδοση, η αξιοπιστία, η κατανάλωση ενέργειας και η επιφάνεια πυριτίου του σχεδιασμού. Τέλος, προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αυξημένη πολυπλοκότητα στα σχεδιαστικά εργαλεία επαναδιαμορφούμενων συστημάτων, προτείνονται νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τους σύγχρονους πολυπύρηνους επεξεργαστές και την αδρομερή φύση των πολυνηματικών περιβαλλόντων προγραμματισμού (π.χ. OpenMP), μειώνουν το χρόνο επίλυσης του προβλήματος της τοποθέτησης των λογικών πόρων σε φυσικούς,ενώ ταυτόχρονα, ομαδοποιώντας τις εφαρμογές βάση των εγγενών χαρακτηριστικών τους, διερευνούν αποτελεσματικότερα το χώρο σχεδίασης.Η αποδοτικότητά των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών προτύπων και μεθοδολογιών επαληθεύτηκε σε σχέση με τις υφιστάμενες λύσεις αιχμής τόσο σε αυτοτελής εφαρμογές, όπως η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα πολυμέσα και τα προβλήματα αριθμητικής πολυπλοκότητας, καθώς και σε συστημικά ετερογενή περιβάλλοντα, όπως ένα σύστημα όρασης υπολογιστών για αυτόνομα διαστημικά ρομποτικά οχήματα και ένα σύστημα πολλαπλών επιταχυντών υλικού για σταθμούς εργασίας και κέντρα δεδομένων, στοχεύοντας εφαρμογές υψηλής υπολογιστικής απόδοσης (HPC). Τα αποτελέσματα ενισχύουν την πεποίθηση του γράφοντα, ότι η παρούσα διατριβή παρέχει ανταγωνιστική τεχνογνωσία για την αντιμετώπιση των πολύπλοκων σύγχρονων και προβλεπόμενα μελλοντικών σχεδιαστικών προκλήσεων

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

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

Dynamic time management for improved accuracy and speed in host-compiled multi-core platform models

textWith increasing complexity and software content, modern embedded platforms employ a heterogeneous mix of multi-core processors along with hardware accelerators in order to provide high performance in limited power budgets. Due to complex interactions and highly dynamic behavior, static analysis of real-time performance and other constraints is challenging. As an alternative, full-system simulations have been widely accepted by designers. With traditional approaches being either slow or inaccurate, so-called host-compiled simulators have recently emerged as a solution for rapid evaluation of complete systems at early design stages. In such approaches, a faster simulation is achieved by natively executing application code at the source level, abstracting execution behavior of target platforms, and thus increasing simulation granularity. However, most existing host-compiled simulators often focus on application behavior only while neglecting effects of hardware/software interactions and associated speed and accuracy tradeoffs in platform modeling. In this dissertation, we focus on host-compiled operating system (OS) and processor modeling techniques, and we introduce novel dynamic timing model management approaches that efficiently improve both accuracy and speed of such models via automatically calibrating the simulation granularity. The contributions of this dissertation are twofold: We first establish an infrastructure for efficient host-compiled multi-core platform simulation by developing (a) abstract models of both real-time OSs and processors that replicate timing-accurate hardware/software interactions and enable full-system co-simulation, and (b) quantitative and analytical studies of host-compiled simulation principles to analyze error bounds and investigate possible improvements. Building on this infrastructure, we further propose specific techniques for improving accuracy and speed tradeoffs in host-compiled simulation by developing (c) an automatic timing granularity adjustment technique based on dynamically observing system state to control the simulation, (d) an out-of-order cache hierarchy modeling approach to efficiently reorder memory access behavior in the presence of temporal decoupling, and (e) a synchronized timing model to align platform threads to run efficiently in parallel simulation. Results as applied to industrial-strength platforms confirm that by providing careful abstractions and dynamic timing management, our models can achieve full-system simulations at equivalent speeds of more than a thousand MIPS with less than 3% timing error. Coupled with the capability to easily adjust simulation parameters and configurations, this demonstrates the benefits of our platform models for early application development and exploration.Electrical and Computer Engineerin

GPU Based Acceleration of SystemC and Transaction Level Models for MPSOC Simulation

With increasing number of cores on a chip, the complexity of modeling hardware using virtual prototype is increasing rapidly. Typical SOCs today have multipro-cessors connected through a bus or NOC architecture which can be modeled using SystemC framework. SystemC is a popular language used for early design exploration and performance analysis of complex embedded systems. TLM2.0, an extension of SystemC, is increasingly used in MPSOC designs for simulating loosely and approxi-mately timed transaction level models. The OSCI reference kernel which implements SystemC library runs on a single thread, slowing up the simulation speed to a large extent. Previous works have used the computational power of multi-core systems and GPUs which can run multiple threads simultaneously, speeding up the simu-lation. Multi-core simulations are not as effective in cases where thread runtime is low, because synchronization overhead becomes comparable to thread runtime. Modern GPUs can run thousands of threads at a time and have shown good results for synthesizable designs in recent efforts. However, development in these works are limited to synthesizable subsets of SystemC models, not supporting timed events for process communication. In this research work, a methodology is proposed for accelerating timed event based SystemC TLM2.0 model to GPU based kernel, which maps SystemC processes to CUDA threads in GPU, providing high data level par-allelism. This work aims to provide a scalable solution for simulating large MPSOC designs, facilitating early design exploration and performance analysis. Experiments have shown that the proposed technique provides a speed-up of the order of 100x for typical MPSOC designs

Co-simulation techniques based on virtual platforms for SoC design and verification in power electronics applications

En las últimas décadas, la inversión en el ámbito energético ha aumentado considerablemente. Actualmente, existen numerosas empresas que están desarrollando equipos como convertidores de potencia o máquinas eléctricas con sistemas de control de última generación. La tendencia actual es usar System-on-chips y Field Programmable Gate Arrays para implementar todo el sistema de control. Estos dispositivos facilitan el uso de algoritmos de control más complejos y eficientes, mejorando la eficiencia de los equipos y habilitando la integración de los sistemas renovables en la red eléctrica. Sin embargo, la complejidad de los sistemas de control también ha aumentado considerablemente y con ello la dificultad de su verificación. Los sistemas Hardware-in-the-loop (HIL) se han presentado como una solución para la verificación no destructiva de los equipos energéticos, evitando accidentes y pruebas de alto coste en bancos de ensayo. Los sistemas HIL simulan en tiempo real el comportamiento de la planta de potencia y su interfaz para realizar las pruebas con la placa de control en un entorno seguro. Esta tesis se centra en mejorar el proceso de verificación de los sistemas de control en aplicaciones de electrónica potencia. La contribución general es proporcionar una alternativa a al uso de los HIL para la verificación del hardware/software de la tarjeta de control. La alternativa se basa en la técnica de Software-in-the-loop (SIL) y trata de superar o abordar las limitaciones encontradas hasta la fecha en el SIL. Para mejorar las cualidades de SIL se ha desarrollado una herramienta software denominada COSIL que permite co-simular la implementación e integración final del sistema de control, sea software (CPU), hardware (FPGA) o una mezcla de software y hardware, al mismo tiempo que su interacción con la planta de potencia. Dicha plataforma puede trabajar en múltiples niveles de abstracción e incluye soporte para realizar co-simulación mixtas en distintos lenguajes como C o VHDL. A lo largo de la tesis se hace hincapié en mejorar una de las limitaciones de SIL, su baja velocidad de simulación. Se proponen diferentes soluciones como el uso de emuladores software, distintos niveles de abstracción del software y hardware, o relojes locales en los módulos de la FPGA. En especial se aporta un mecanismo de sincronizaron externa para el emulador software QEMU habilitando su emulación multi-core. Esta aportación habilita el uso de QEMU en plataformas virtuales de co-simulacion como COSIL. Toda la plataforma COSIL, incluido el uso de QEMU, se ha analizado bajo diferentes tipos de aplicaciones y bajo un proyecto industrial real. Su uso ha sido crítico para desarrollar y verificar el software y hardware del sistema de control de un convertidor de 400 kVA