A Benes Based NoC Switching Architecture for Mixed Criticality Embedded Systems

Multi-core, Mixed Criticality Embedded (MCE) real-time systems require high timing precision and predictability to guarantee there will be no interference between tasks. These guarantees are necessary in application areas such as avionics and automotive, where task interference or missed deadlines could be catastrophic, and safety requirements are strict. In modern multi-core systems, the interconnect becomes a potential point of uncertainty, introducing major challenges in proving behaviour is always within specified constraints, limiting the means of growing system performance to add more tasks, or provide more computational resources to existing tasks. We present MCENoC, a Network-on-Chip (NoC) switching architecture that provides innovations to overcome this with predictable, formally verifiable timing behaviour that is consistent across the whole NoC. We show how the fundamental properties of Benes networks benefit MCE applications and meet our architecture requirements. Using SystemVerilog Assertions (SVA), formal properties are defined that aid the refinement of the specification of the design as well as enabling the implementation to be exhaustively formally verified. We demonstrate the performance of the design in terms of size, throughput and predictability, and discuss the application level considerations needed to exploit this architecture

Logic Programming approaches for routing fault-free and maximally-parallel Wavelength Routed Optical Networks on Chip (Application paper)

One promising trend in digital system integration consists of boosting on-chip communication performance by means of silicon photonics, thus materializing the so-called Optical Networks-on-Chip (ONoCs). Among them, wavelength routing can be used to route a signal to destination by univocally associating a routing path to the wavelength of the optical carrier. Such wavelengths should be chosen so to minimize interferences among optical channels and to avoid routing faults. As a result, physical parameter selection of such networks requires the solution of complex constrained optimization problems. In previous work, published in the proceedings of the International Conference on Computer-Aided Design, we proposed and solved the problem of computing the maximum parallelism obtainable in the communication between any two endpoints while avoiding misrouting of optical signals. The underlying technology, only quickly mentioned in that paper, is Answer Set Programming (ASP). In this work, we detail the ASP approach we used to solve such problem. Another important design issue is to select the wavelengths of optical carriers such that they are spread across the available spectrum, in order to reduce the likelihood that, due to imperfections in the manufacturing process, unintended routing faults arise. We show how to address such problem in Constraint Logic Programming on Finite Domains (CLP(FD)). This paper is under consideration for possible publication on Theory and Practice of Logic Programming.Comment: Paper presented at the 33nd International Conference on Logic Programming (ICLP 2017), Melbourne, Australia, August 28 to September 1, 2017. 16 pages, LaTeX, 5 figure

A critical analysis of research potential, challenges and future directives in industrial wireless sensor networks

In recent years, Industrial Wireless Sensor Networks (IWSNs) have emerged as an important research theme with applications spanning a wide range of industries including automation, monitoring, process control, feedback systems and automotive. Wide scope of IWSNs applications ranging from small production units, large oil and gas industries to nuclear fission control, enables a fast-paced research in this field. Though IWSNs offer advantages of low cost, flexibility, scalability, self-healing, easy deployment and reformation, yet they pose certain limitations on available potential and introduce challenges on multiple fronts due to their susceptibility to highly complex and uncertain industrial environments. In this paper a detailed discussion on design objectives, challenges and solutions, for IWSNs, are presented. A careful evaluation of industrial systems, deadlines and possible hazards in industrial atmosphere are discussed. The paper also presents a thorough review of the existing standards and industrial protocols and gives a critical evaluation of potential of these standards and protocols along with a detailed discussion on available hardware platforms, specific industrial energy harvesting techniques and their capabilities. The paper lists main service providers for IWSNs solutions and gives insight of future trends and research gaps in the field of IWSNs

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

Design of testbed and emulation tools

The research summarized was concerned with the design of testbed and emulation tools suitable to assist in projecting, with reasonable accuracy, the expected performance of highly concurrent computing systems on large, complete applications. Such testbed and emulation tools are intended for the eventual use of those exploring new concurrent system architectures and organizations, either as users or as designers of such systems. While a range of alternatives was considered, a software based set of hierarchical tools was chosen to provide maximum flexibility, to ease in moving to new computers as technology improves and to take advantage of the inherent reliability and availability of commercially available computing systems

An Energy and Performance Exploration of Network-on-Chip Architectures

In this paper, we explore the designs of a circuit-switched router, a wormhole router, a quality-of-service (QoS) supporting virtual channel router and a speculative virtual channel router and accurately evaluate the energy-performance tradeoffs they offer. Power results from the designs placed and routed in a 90-nm CMOS process show that all the architectures dissipate significant idle state power. The additional energy required to route a packet through the router is then shown to be dominated by the data path. This leads to the key result that, if this trend continues, the use of more elaborate control can be justified and will not be immediately limited by the energy budget. A performance analysis also shows that dynamic resource allocation leads to the lowest network latencies, while static allocation may be used to meet QoS goals. Combining the power and performance figures then allows an energy-latency product to be calculated to judge the efficiency of each of the networks. The speculative virtual channel router was shown to have a very similar efficiency to the wormhole router, while providing a better performance, supporting its use for general purpose designs. Finally, area metrics are also presented to allow a comparison of implementation costs