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

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

A framework for assertion-based timing verification and PC-based restbus simulation of automotive systems

Innovation in der Automobilindustrie wird durch Elektronik und vor allem durch Software ermöglicht. In der Regel wird eine Vielzahl von verteilten Funktionen realisiert. Typischerweise, wird diese Software über mehrere Steuergeräte verteilt. Durch die Verteilung und die Vielzahl an Funktionen ensteht eine immer wachsende Komplexität, die den Verifikations- und Validierungsprozess anspruchsvoller und schwieriger gestaltet. Daher ist für Ingenieure in der Automobilindustrie die Entwicklung von effizienten und effektiven Design-Methoden von großem Interesse.Ein zentrales Element in der Entwicklung automobiler Software ist der komponentebasierten Ansatz. Derzeit ist AUTOSAR der wichtigste Standard, der dieses Paradigma unterstützt. Die Systembeschreibungssprache SystemC ist ebenfalls ein Mittel, um AUTOSAR-Komponenten simulieren zu können. Desweiteren stellt SystemC einen Satz von Bibliotheken zur Verfügung wie zum Beispiel die „SystemC Verification Library“ (SCV), und einen diskreten Event-Simulationskern. Inzwischen ist das Interesse an der Verwendung von SystemC in der automobile Softwareentwicklung stark gestiegen.In dieser Arbeit stellen wir eine SystemC-basierte Entwurfsmethodik für eine frühe Validierung zeitkritischer automobile Systeme vor. Die Methodik reicht von einer reinen SystemC-Simulation bis zu einer PC-basierten Restbussimulation. Um die Synchronisation bezüglich Überabtastung und Unterabtastung zwischen dem SystemC-Simulationsmodell und dem Restbus während der Restbussimulation zu gewährleisten, präsentieren wir ein Synchronisationsverfahren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde für die Integration von SystemC-Komponenten IP-XACT als Modelierungsstandard verwendet. Um eine Zeitanalyse ermöglichen zu können, stellen wir Erweiterungen für den IP-XACT-Standard vor, mit deren Hilfe Zeitanforderungen anAutomotive system innovation is mainly driven by software which can be distributed over a large number of functions typically deployed over several ECUs. This growing design complexity makes the verification and validation process challenging and difficult. Therefore, the development of efficient and effective design methodologies is of great interest for automotive engineers.A central concept in the development of automotive software is the component-based approach. Currently, the most prominent approach that supports this design paradigm is the AUTOSAR. The SLDL SystemC provides means to simulate the behavior of AUTOSAR software components by means of a discrete-event simulation kernel. Additionally, SystemC comes with a set of libraries such as the SCV. Meanwhile, the interest of using SystemC has grown in the automotive software development community. In this thesis we present a SystemC-based design methodology for early validation of time-critical automotive systems. The methodology spans from pure SystemC simulation to PC-based Restbus simulation. To deal with synchronization issues (oversampling and undersampling) that arise during Restbus simulation between the SystemC simulation model and the remaining bus network, we also present a new synchronization approach. Finally, we make use IP-XACT for SystemC component integration. To capture timing constraints on the simulation model, we propose timing extensions for the IP-XACT standard. These timing constraints can then be used to verify the SystemC simulation model.Tag der Verteidigung: 11.09.2015Paderborn, Univ., Diss., 201