UVM testbench in Python:feature and performance comparison with SystemVerilog implementation

Abstract. Python is emerging as a new language for functional verification of digital integrated circuits (ICs). With the Python verification framework cocotb enabling to write testbenches in Python, new libraries are being developed for various verification techniques and methodologies, such as functional coverage, constrained random verification and Universal Verification Methodology (UVM). Python testbenches have been used in some research and product development, but there is little information available on their performance, and no studies about applying UVM in Python have been published. In this thesis, a Python UVM testbench was developed using pyuvm and other Python verification libraries for an AHB-Lite slave IP, and a matching testbench in SystemVerilog was also built to examine the differences in their implementations. Testbench codebase sizes, simulation execution times, memory use and coverage accumulation were compared. The Python testbench had 30% less lines of code, suggesting that testbench development may be faster in Python than SystemVerilog. The execution times of the Python testbench on commercial simulators were 8 to 21 times longer than those of the SystemVerilog testbench in tests with AHB-Lite write operations and random stimulus. In conclusion, given the performance gap and the UVM Register Abstraction Layer (RAL) being at an early stage of development in pyuvm, the studied Python libraries are not competitive with SystemVerilog and its UVM implementation for verifying complex designs like systems-on-chip (SoCs) at this stage. Nevertheless, pyuvm enables Python programmers and users of open-source simulators without support for SystemVerilog UVM to start using the methodology. A Python UVM testbench based on pyuvm is currently viable for verifying simple designs, and it opens new avenues of research in digital IC verification.Tiivistelmä. Python on nousemassa uudeksi kieleksi digitaalisten integroitujen piirien varmennukseen. Cocotb-viitekehys mahdollistaa testipenkkien kirjoittamisen Pythonilla, ja uusia Python-kirjastoja kehitetään eri varmennusmenetelmille, kuten funktionaaliselle kattavuudelle, rajoitetulla satunnaisherätteellä verifioinnille ja universaalille varmennusmenetelmälle (engl. Universal Verification Methodology, UVM). Python-testipenkkejä on pienissä määrin käytetty tutkimuksissa ja tuotekehityksessä, mutta niiden suorituskyvystä on hyvin vähän tietoa, ja UVM:n käytöstä Pythonilla ei ole julkaistu tutkimuksia. Tässä työssä kehitettiin UVM-testipenkki Pythonilla AHB-Lite-orjana toimivalle IP-lohkolle käyttäen pyuvm:ää ja muita Python-verifiointikirjastoja, ja vastaava testipenkki luotiin myös SystemVerilogilla toteutusten vertailua varten. Testipenkeistä verrattiin koodikannan kokoa, suoritusaikaa, muistin käyttöä ja kattavuuden kertymistä. Python-testipenkissä oli 30 % vähemmän koodirivejä, mikä voi merkitä, että testipenkkien kehittäminen Pythonilla on nopeampaa kuin SystemVerilogilla. Suoritusajat kaupallisilla simulaattoreilla oli Python-testipenkillä 8–21 kertaa pidempiä kuin SystemVerilog-testipenkillä testeissä, joissa ajettiin AHB-Lite -kirjoitusoperaatioita ja satunnaisherätettä. Koska suorituskykyero oli näin merkittävä, ja koska UVM:n rekisteriabstraktiotaso (engl. Register Abstraction Layer, RAL) on vasta alkutekijöissään pyuvm:ssä, voidaan todeta, että tutkitut Python-kirjastot eivät ole vielä nykyisellä tasollaan kilpailukykyisiä SystemVerilogin ja sen UVM-implementaation kanssa monimutkaisten piirien kuten järjestelmäpiirien varmennukseen. Siitä huolimatta pyuvm mahdollistaa UVM:n käytön Python-ohjelmoijille ja avoimen lähdekoodin simulaattoreissa, joissa ei ole vielä SystemVerilog UVM:lle tukea. Pyuvm-pohjainen Python UVM-testipenkki soveltuu tällä hetkellä yksinkertaisten mallien varmennukseen ja avaa uusia tutkimussuuntia digitaalisten integroitujen piirien varmennukseen

Pre-validation of SoC via hardware and software co-simulation

Abstract. System-on-chips (SoCs) are complex entities consisting of multiple hardware and software components. This complexity presents challenges in their design, verification, and validation. Traditional verification processes often test hardware models in isolation until late in the development cycle. As a result, cooperation between hardware and software development is also limited, slowing down bug detection and fixing. This thesis aims to develop, implement, and evaluate a co-simulation-based pre-validation methodology to address these challenges. The approach allows for the early integration of hardware and software, serving as a natural intermediate step between traditional hardware model verification and full system validation. The co-simulation employs a QEMU CPU emulator linked to a register-transfer level (RTL) hardware model. This setup enables the execution of software components, such as device drivers, on the target instruction set architecture (ISA) alongside cycle-accurate RTL hardware models. The thesis focuses on two primary applications of co-simulation. Firstly, it allows software unit tests to be run in conjunction with hardware models, facilitating early communication between device drivers, low-level software, and hardware components. Secondly, it offers an environment for using software in functional hardware verification. A significant advantage of this approach is the early detection of integration errors. Software unit tests can be executed at the IP block level with actual hardware models, a task previously only possible with costly system-level prototypes. This enables earlier collaboration between software and hardware development teams and smoothens the transition to traditional system-level validation techniques.Järjestelmäpiirin esivalidointi laitteiston ja ohjelmiston yhteissimulaatiolla. Tiivistelmä. Järjestelmäpiirit (SoC) ovat monimutkaisia kokonaisuuksia, jotka koostuvat useista laitteisto- ja ohjelmistokomponenteista. Tämä monimutkaisuus asettaa haasteita niiden suunnittelulle, varmennukselle ja validoinnille. Perinteiset varmennusprosessit testaavat usein laitteistomalleja eristyksissä kehityssyklin loppuvaiheeseen saakka. Tämän myötä myös yhteistyö laitteisto- ja ohjelmistokehityksen välillä on vähäistä, mikä hidastaa virheiden tunnistamista ja korjausta. Tämän diplomityön tavoitteena on kehittää, toteuttaa ja arvioida laitteisto-ohjelmisto-yhteissimulointiin perustuva esivalidointimenetelmä näiden haasteiden ratkaisemiseksi. Menetelmä mahdollistaa laitteiston ja ohjelmiston varhaisen integroinnin, toimien luonnollisena välietappina perinteisen laitteistomallin varmennuksen ja koko järjestelmän validoinnin välillä. Yhteissimulointi käyttää QEMU suoritinemulaattoria, joka on yhdistetty rekisterinsiirtotason (RTL) laitteistomalliin. Tämä mahdollistaa ohjelmistokomponenttien, kuten laiteajureiden, suorittamisen kohdejärjestelmän käskysarja-arkkitehtuurilla (ISA) yhdessä kellosyklitarkkojen RTL laitteistomallien kanssa. Työ keskittyy kahteen yhteissimulaation pääsovellukseen. Ensinnäkin se mahdollistaa ohjelmiston yksikkötestien suorittamisen laitteistomallien kanssa, varmistaen kommunikaation laiteajurien, matalan tason ohjelmiston ja laitteistokomponenttien välillä. Toiseksi se tarjoaa ympäristön ohjelmiston käyttämiseen toiminnallisessa laitteiston varmennuksessa. Merkittävä etu tästä lähestymistavasta on integraatiovirheiden varhainen havaitseminen. Ohjelmiston yksikkötestejä voidaan suorittaa jo IP-lohkon tasolla oikeilla laitteistomalleilla, mikä on aiemmin ollut mahdollista vain kalliilla järjestelmätason prototyypeillä. Tämä mahdollistaa aikaisemman ohjelmisto- ja laitteistokehitystiimien välisen yhteistyön ja helpottaa siirtymistä perinteisiin järjestelmätason validointimenetelmiin

High-Level verification methodology for UVMF-based C++ reference model testbench implementation

Abstract. This thesis was completed for Nokia and in cooperation with Siemens EDA. In this thesis a UVM Predictor component, which wraps a C++ reference model, was generated with UVM Framework (UVMF) and implemented. The Predictor was generated and implemented to Universal Verification Methodology (UVM) testbench that had HLS generated Design Under Test (DUT). First, the UVMF generated Predictor was implemented for the UVM testbench with a small HLS-generated design to learn the verification flow. After the first trial run, the UVMF-generated Predictor was implemented into an existing UVM testbench with a bigger subsystem as a DUT. The subsystem contained two manually written RTLs and one HLS-generated RTL. First, this thesis presents the UVM theory and the UVM technologies that are used in the thesis work. The third chapter introduces code coverage, different coverage metrics, and the coverage metrics used in this thesis. After theory, practical work is presented. Chapter four explains the devices under test, UVM components, testbench connections with a UVM Predictor, Predictor generation, functionality testing, and simulation. Measured coverage metrics, tools, and technologies are also presented. Finally, coverage results from thesis work with testing strategies are presented. The results of coverage closure are discussed in chapter 6, and the thesis is summarized in chapter 7. Applying a UVMF-generated Predictor to the UVM testbench for verification flow showed promising results for obtaining a faster verification process as well as produced the possibility of using various versatile verification techniques with the Predictor, such as stimulus generation with constrained random (CR).Korkeatason verifiointi metodologian testipenkki-implementaatio UVM Framework pohjautuvalla C++ referenssi mallilla. Tiivistelmä. Tämä diplomityö on tehty Nokialle yhteistyössä Siemens EDA:n kanssa. Tässä diplomityössä UVM Framework työkalulla generoitiin ja toteutettiin UVM-prediktori komponentti, joka sisältää C++ referenssimallin. Generoitu prediktori integroitiin universaalin varmennusmenetelmän testipenkkiin, joka sisälsi HLS:llä luodun testattavan suunnitelman. Ensiksi UVMF:llä generoitu prediktori implementoitiin UVM-testipenkkiin pienellä HLS generoidulla alilohkolla, jotta verifiointivuo saatiin opeteltua. Ensimmäisen testivedoksen jälkeen, UVMF generoitu prediktori implementoitiin olemassa olevaan UVM-testipenkkiin, jossa varmennettavan suunnitelmana oli suurempi osajärjestelmä. Osajärjestelmä sisälsi kolme alilohkoa, joista kaksi oli manuaalisesti kirjoitettua RTL:ää ja yksi HLS generoitu RTL. Ensiksi tässä työssä käydään läpi UVM:n teoriaa, sekä käytettävät UVM teknologiat, joita sovelletaan diplomityössä. Kolmas kappale esittelee koodin kattavuutta ja erilaisia kattavuus parametreja. Teoriaosuuden jälkeen esitellään käytännön työn asiat. Kappale 4 esittelee varmennettavat suunnitelmat, UVM komponentit, testipenkkikytkennät prediktorin kanssa, sekä prediktorin generoinnin, testauksen ja simuloinnin. Myös työssä mitattavat kattavuusparametrit, sekä käytettävät työkalut ja teknologiat esitellään. Lopuksi esitellään diplomityössä saavutetut kattavuustulokset, sekä suunnitelmien varmennusstrategiat. Diplomityössä saavutetut tulokset käydään läpi seuraavassa kappaleessa, minkä jälkeen kappaleessa 7 tiivistetään koko diplomityö. UVMF generoidun prediktorin ottaminen mukaan osaksi UVM testipenkin verifiointivuota antoi lupaavia tuloksia verifiointiprosessin nopeuttamiseksi, ja mahdollisuuden käyttää erilaisia monipuolisia verifiointitekniikoita kuten testiherätteiden luontia rajoitetun satunnaisuuden menetelmällä

Automatic synthesis of OSCI TLM-2.0 models into RTL bus-based IPs

n/

Design and Verification Environment for High-Performance Video-Based Embedded Systems

In this dissertation, a method and a tool to enable design and verification of computation demanding embedded vision-based systems is presented. Starting with an executable specification in OpenCV, we provide subsequent refinements and verification down to a system-on-chip prototype into an FPGA-Based smart camera. At each level of abstraction, properties of image processing applications are used along with structure composition to provide a generic architecture that can be automatically verified and mapped to the lower abstraction level. The result is a framework that encapsulates the computer vision library OpenCV at the highest level, integrates Accelera\u27s System-C/TLM with UVM and QEMU-OS for virtual prototyping and verification and mapping to a lower level, the last of which is the FPGA. This will relieve hardware designers from time-consuming and error-prone manual implementations, thus allowing them to focus on other steps of the design process. We also propose a novel streaming interface, called Component Interconnect and Data Access (CIDA), for embedded video designs, along with a formal model and a component composition mechanism to cluster components in logical and operational groups that reduce resource usage and power consumption

Integration and verification of parameterized register interfaces

Abstract. This thesis takes an in-depth look on parameterized register models, their generation and use. The aim is to discover improvements to the current method of generating parameterized register models. The thesis is divided into two halves: a practical section that consists of a study on the generation of parameterized register models, and a theory section that supports the topics gone over in the practical section. The practical section studied the generation flow and tools currently used at Nordic Semiconductor. The flow was analyzed to discover changes that would enable the generation of more flexible parameterized register models. The suggested changes were then used to generate a dynamic register model for a highly configurable intellectual property (IP) core. The register model was validated using a register test sequence and functional tests. Finally, the functionality of the generated register model was compared to a manually implemented model. In the end, the test sequences and functional tests passed without errors. The generated register model could be configured directly from the testbench without editing the model manually. This also meant that the applied configurations would not be lost even if the register model were to be regenerated. The resulting register model was significantly more flexible than the previous generated models.Parametrisoitujen rekisterirajapintojen integrointi ja verifiointi. Tiivistelmä. Tässä opinnäytetyössä tutustutaan parametrisoituihin rekisterimalleihin, niiden generointiin, ja niiden käyttöön. Tavoitteena on löytää parannuksia nykyiseen parametrisoitujen rekisterimallien generointitapaan. Opinnäytetyö on jaettu kahteen puoliskoon: käytännön osuuteen, joka koostuu parametrisoitujen rekisterimallien tutkimuksesta, ja teoreettisesta osuudesta, joka tukee käytännön osuudessa käsiteltyjä aiheita. Käytännön osuus tutki Nordic Semiconductorilla tällä hetkellä rekisterimallin generointiin käytettyjä prosesseja ja työkaluja. Niitä analysoimalla pyrittiin löytämään muutoksia, joiden avulla voisi generoida joustavampia parametrisoituja rekisterimalleja. Kyseisten muutosten avulla generoitiin sitten dynaaminen rekisterimalli IP lohkolle, joka sisältää paljon konfiguroitavia parametrejä. Generoitu malli varmennettiin rekisterien testisekvenssillä ja toiminnallisilla testeillä. Lopuksi rekisterimallin toiminnallisuutta verrattiin käsin kirjoitetun rekisterimallin toiminnallisuuteen. Testisekvenssi ja toiminnalliset testit läpäistiin simuloinnissa lopulta ilman virheitä. Generoitu rekisterimalli oli konfiguroitavissa suoraan testipenkistä, eikä sitä tarvinnut muokata manuaalisesti. Tämä tarkoitti myös sitä, että testipenkissä asetettuja konfiguraatioita ei menetetä, jos rekisterimalli generoidaan uudelleen. Lopullinen rekisterimalli oli merkittävästi joustavampi kuin aikaisemmat generoidut mallit

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

Design and Optimization of Networks-on-Chip for Future Heterogeneous Systems-on-Chip

Due to the tight power budget and reduced time-to-market, Systems-on-Chip (SoC) have emerged as a power-efficient solution that provides the functionality required by target applications in embedded systems. To support a diverse set of applications such as real-time video/audio processing and sensor signal processing, SoCs consist of multiple heterogeneous components, such as software processors, digital signal processors, and application-specific hardware accelerators. These components offer different flexibility, power, and performance values so that SoCs can be designed by mix-and-matching them. With the increased amount of heterogeneous cores, however, the traditional interconnects in an SoC exhibit excessive power dissipation and poor performance scalability. As an alternative, Networks-on-Chip (NoC) have been proposed. NoCs provide modularity at design-time because communications among the cores are isolated from their computations via standard interfaces. NoCs also exploit communication parallelism at run-time because multiple data can be transferred simultaneously. In order to construct an efficient NoC, the communication behaviors of various heterogeneous components in an SoC must be considered with the large amount of NoC design parameters. Therefore, providing an efficient NoC design and optimization framework is critical to reduce the design cycle and address the complexity of future heterogeneous SoCs. This is the thesis of my dissertation. Some existing design automation tools for NoCs support very limited degrees of automation that cannot satisfy the requirements of future heterogeneous SoCs. First, these tools only support a limited number of NoC design parameters. Second, they do not provide an integrated environment for software-hardware co-development. Thus, I propose FINDNOC, an integrated framework for the generation, optimization, and validation of NoCs for future heterogeneous SoCs. The proposed framework supports software-hardware co-development, incremental NoC design-decision model, SystemC-based NoC customization and generation, and fast system protyping with FPGA emulations. Virtual channels (VC) and multiple physical (MP) networks are the two main alternative methods to provide better performance, support quality-of-service, and avoid protocol deadlocks in packet-switched NoC design. To examine the effect of using VCs and MPs with other NoC architectural parameters, I completed a comprehensive comparative analysis that combines an analytical model, synthesis-based designs for both FPGAs and standard-cell libraries, and system-level simulations. Based on the results of this analysis, I developed VENTTI, a design and simulation environment that combines a virtual platform (VP), a NoC synthesis tool, and four NoC models characterized at different abstraction levels. VENTTI facilitates an incremental decision-making process with four NoC abstraction models associated with different NoC parameters. The selected NoC parameters can be validated by running simulations with the corresponding model instantiated in the VP. I augmented this framework to complete FINDNOC by implementing ICON, a NoC generation and customization tool that dynamically combines and customizes synthesizable SystemC components from a predesigned library. Thanks to its flexibility and automatic network interface generation capabilities, ICON can generate a rich variety of NoCs that can be then integrated into any Embedded Scalable Platform (ESP) architectures for fast prototying with FPGA emulations. I designed FINDNOC in a modular way that makes it easy to augmenting it with new capabilities. This, combined with the continuous progress of the ESP design methodology, will provide a seamless SoC integration framework, where the hardware accelerators, software applications, and NoCs can be designed, validated, and integrated simultaneously, in order to reduce the design cycle of future SoC platforms