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

An Implementation of a Predictable Cache-coherent Multi-core System

Multi-core platforms have entered the realm of the embedded systems to meet the ever growing performance requirements of the real-time embedded applications. Real-time applications leverage the hardware parallelism from multi-cores while keeping the hardware cost minimum. However, when the real-time tasks are deployed on the multi-core platforms, they experience interference due to sharing of hardware resources such as shared bus, last level cache, and main memory. As a result, it complicates computing the worst-case execution time of the real-time tasks. In this thesis, I present a hardware prototype that implements a predictable cache-coherent real-time multi-core system. The designed hardware follows the design guidelines outlined in the predictable cache coherence protocol. The hardware uses a latency insensitive interfaces to integrate the multi-core components such as the processor, cache controller, and interconnecting bus. The prototyped multi-core hardware is synthesized and implemented in a low-cost and high-performing FPGA board. The hardware is validated and verified on a tethered system that enables the design to run multi-threaded pthread applications

Physical Design and Clock Tree Synthesis Methods For A 8-Bit Processor

Now days a number of processors are available with a lot kind of feature from different industries. A processor with similar kind of architecture of the current processors only missing the memory stuffs like the RAM and ROM has been designed here with the help of Verilog style of coding. This processor contains architecturally the program counter, instruction register, ALU, ALU latch, General Purpose Registers, control state module, flag registers and the core module containing all the modules. And a test module is designed for testing the processor. After the design of the processor with successful functionality, the processor is synthesized with 180nm technology. The synthesis is performed with the data path optimization like the selection of proper adders and multipliers for timing optimization in the data path while the ALU operations are performed. During synthesis how to take care of the worst negative slack (WNS), how to include the clock gating cells, how to define the cost and path groups etc. have been covered. After the proper synthesis we get the proper net list and the synthesized constraint file for carrying out the physical design. In physical design the steps like floor-planning, partitioning, placement, legalization of the placement, clock tree synthesis, and routing etc. have been performed. At all the stages the static timing analysis is performed for the timing meet of the design for better performance in terms of timing or frequency. Each steps of physical design are discussed with special effort towards the concepts behind the step. Out of all the steps of physical design the clock tree synthesis is performed with some improvement in the performance of the clock tree by creating a symmetrical clock tree and maintaining more common clock paths. A special algorithm has been framed for creating a symmetrical clock tree and thereby making the power consumption of the clock tree low

Doctor of Philosophy

dissertationRecent breakthroughs in silicon photonics technology are enabling the integration of optical devices into silicon-based semiconductor processes. Photonics technology enables high-speed, high-bandwidth, and high-fidelity communications on the chip-scale-an important development in an increasingly communications-oriented semiconductor world. Significant developments in silicon photonic manufacturing and integration are also enabling investigations into applications beyond that of traditional telecom: sensing, filtering, signal processing, quantum technology-and even optical computing. In effect, we are now seeing a convergence of communications and computation, where the traditional roles of optics and microelectronics are becoming blurred. As the applications for opto-electronic integrated circuits (OEICs) are developed, and manufacturing capabilities expand, design support is necessary to fully exploit the potential of this optics technology. Such design support for moving beyond custom-design to automated synthesis and optimization is not well developed. Scalability requires abstractions, which in turn enables and requires the use of optimization algorithms and design methodology flows. Design automation represents an opportunity to take OEIC design to a larger scale, facilitating design-space exploration, and laying the foundation for current and future optical applications-thus fully realizing the potential of this technology. This dissertation proposes design automation for integrated optic system design. Using a buildingblock model for optical devices, we provide an EDA-inspired design flow and methodologies for optical design automation. Underlying these flows and methodologies are new supporting techniques in behavioral and physical synthesis, as well as device-resynthesis techniques for thermal-aware system integration. We also provide modeling for optical devices and determine optimization and constraint parameters that guide the automation techniques. Our techniques and methodologies are then applied to the design and optimization of optical circuits and devices. Experimental results are analyzed to evaluate their efficacy. We conclude with discussions on the contributions and limitations of the approaches in the context of optical design automation, and describe the tremendous opportunities for future research in design automation for integrated optics