The earlier the better: a theory of timed actor interfaces

Programming embedded and cyber-physical systems requires attention not only to functional behavior and correctness, but also to non-functional aspects and specifically timing and performance constraints. A structured, compositional, model-based approach based on stepwise refinement and abstraction techniques can support the development process, increase its quality and reduce development time through automation of synthesis, analysis or verification. For this purpose, we introduce in this paper a general theory of timed actor interfaces. Our theory supports a notion of refinement that is based on the principle of worst-case design that permeates the world of performance-critical systems. This is in contrast with the classical behavioral and functional refinements based on restricting or enlarging sets of behaviors. An important feature of our refinement is that it allows time-deterministic abstractions to be made of time-non-deterministic systems, improving efficiency and reducing complexity of formal analysis. We also show how our theory relates to, and can be used to reconcile a number of existing time and performance models and how their established theories can be exploited to represent and analyze interface specifications and refinement steps.\u

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

A Model-Based Development and Verification Framework for Distributed System-on-Chip Architecture

The capabilities and thus, design complexity of VLSI-based embedded systems have increased tremendously in recent years, riding the wave of Moore’s law. The time-to-market requirements are also shrinking, imposing challenges to the designers, which in turn, seek to adopt new design methods to increase their productivity. As an answer to these new pressures, modern day systems have moved towards on-chip multiprocessing technologies. New architectures have emerged in on-chip multiprocessing in order to utilize the tremendous advances of fabrication technology. Platform-based design is a possible solution in addressing these challenges. The principle behind the approach is to separate the functionality of an application from the organization and communication architecture of hardware platform at several levels of abstraction. The existing design methodologies pertaining to platform-based design approach don’t provide full automation at every level of the design processes, and sometimes, the co-design of platform-based systems lead to sub-optimal systems. In addition, the design productivity gap in multiprocessor systems remain a key challenge due to existing design methodologies. This thesis addresses the aforementioned challenges and discusses the creation of a development framework for a platform-based system design, in the context of the SegBus platform - a distributed communication architecture. This research aims to provide automated procedures for platform design and application mapping. Structural verification support is also featured thus ensuring correct-by-design platforms. The solution is based on a model-based process. Both the platform and the application are modeled using the Unified Modeling Language. This thesis develops a Domain Specific Language to support platform modeling based on a corresponding UML profile. Object Constraint Language constraints are used to support structurally correct platform construction. An emulator is thus introduced to allow as much as possible accurate performance estimation of the solution, at high abstraction levels. VHDL code is automatically generated, in the form of “snippets” to be employed in the arbiter modules of the platform, as required by the application. The resulting framework is applied in building an actual design solution for an MP3 stereo audio decoder application.Siirretty Doriast

Systematische Transaction-Level-Kommunikations-Modellierung mit SystemC

An emerging approach to embedded system design is to assemble them from a library of hardware and software component models (IP, intellectual property) using a system description language, such as SystemC. SystemC allows describing the communication among IPs in terms of abstract operations (transactions). The promise is that with transaction-level modeling (TLM), future systems-on-chip with one billion transistors and more can be composed out of IPs as simply as playing with LEGO bricks. However, reality is far out. In fact, each IP vendor promotes another proprietary interface standard and the provided design tools lack compatibility, such that heterogeneous IPs cannot be integrated efficiently. A novel generic interconnect fabric for TLM is presented which aims at enabling inter-operation between models of different levels of abstraction (mixed-mode) and models with different interfaces (heterogeneous components), with as little overhead as possible. A generic, protocol independent representation of transactions is developed, among with an abstraction level formalism. This approach is shown to support systematic simulation of state-of-the-art buses and networks-on-chip such as IBM CoreConnect and PCI Express over several levels of TLM abstraction. A layered simulation framework for SystemC, GreenBus, is developed to examine the proposed concepts. The thesis discusses new implementation techniques for communication modeling with SystemC which outperform the existing approaches in terms of flexibility, simulation accuracy, and performance. Based on these techniques, advanced concepts for TLM-based hardware/software co-design and FPGA prototyping are examined. Several experiments and a video processor case study highlight the efficiency of the approach and show its applicability in a TLM design flow.Eingebettete Systeme werden zunehmend auf Basis vorgefertigter Hard- und Softwarebausteine entwickelt, die in Form von Modellen (IP, Intellectual Property) vorliegen. Hierzu werden Systembeschreibungssprachen wie SystemC eingesetzt. SystemC ermöglicht, die Kommunikation zwischen IPs durch abstrakte Operationen, sog. Transaktionen zu beschreiben. Mit dieser Transaction-Level-Modellierung (TLM) sollen auch zukünftige Systeme mit 1 Milliarde Transistoren und mehr effizient entwickelt werden können. Idealerweise sollte das Hantieren mit IPs dabei so einfach sein wie das Spielen mit LEGO-Steinen. In der Realität sind jedoch IPs unterschiedlicher Hersteller nicht ohne weiteres integrierbar, und auch die Entwurfswerkzeuge sind nicht kompatibel. In dieser Doktorarbeit wird ein neuer, generischer Ansatz für die Transaction-Level-Modellierung mit SystemC vorgestellt, der Kommunikation zwischen Modellen auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen (Mixed-Mode) und mit unterschiedlichen Schnittstellen (heterogene Komponenten) möglich macht. Der zusätzlich benötigte Simulations- und Code-Aufwand ist minimal. Ein protokollunabhängiges Transaktionsmodell und ein formaler Ansatz zur Beschreibung von Abstraktionsebenen werden vorgestellt, mit denen verschiedenartige Busse und Networks-on-Chip wie IBM CoreConnect und PCI Express auf verschiedenen TLM-Abstraktionsebenen simuliert werden können. Ein modulares Simulationsframework für SystemC wird entwickelt (GreenBus), um die vorgeschlagenen Konzepte zu untersuchen. Anhand von GreenBus werden neue Implementierungstechniken diskutiert, die den existierenden Ansätzen in Flexibilität, Simulationsgenauigkeit und -geschwindigkeit überlegen sind. Die Vor- und Nachteile der entwickelten Techniken werden mit Experimenten belegt, und eine Videoprozessor-Fallstudie demonstriert die Effizienz des Ansatzes in einem TLM-basierten Entwurfsfluss

Exploration and Design of Power-Efficient Networked Many-Core Systems

Multiprocessing is a promising solution to meet the requirements of near future applications. To get full benefit from parallel processing, a manycore system needs efficient, on-chip communication architecture. Networkon- Chip (NoC) is a general purpose communication concept that offers highthroughput, reduced power consumption, and keeps complexity in check by a regular composition of basic building blocks. This thesis presents power efficient communication approaches for networked many-core systems. We address a range of issues being important for designing power-efficient manycore systems at two different levels: the network-level and the router-level. From the network-level point of view, exploiting state-of-the-art concepts such as Globally Asynchronous Locally Synchronous (GALS), Voltage/ Frequency Island (VFI), and 3D Networks-on-Chip approaches may be a solution to the excessive power consumption demanded by today’s and future many-core systems. To this end, a low-cost 3D NoC architecture, based on high-speed GALS-based vertical channels, is proposed to mitigate high peak temperatures, power densities, and area footprints of vertical interconnects in 3D ICs. To further exploit the beneficial feature of a negligible inter-layer distance of 3D ICs, we propose a novel hybridization scheme for inter-layer communication. In addition, an efficient adaptive routing algorithm is presented which enables congestion-aware and reliable communication for the hybridized NoC architecture. An integrated monitoring and management platform on top of this architecture is also developed in order to implement more scalable power optimization techniques. From the router-level perspective, four design styles for implementing power-efficient reconfigurable interfaces in VFI-based NoC systems are proposed. To enhance the utilization of virtual channel buffers and to manage their power consumption, a partial virtual channel sharing method for NoC routers is devised and implemented. Extensive experiments with synthetic and real benchmarks show significant power savings and mitigated hotspots with similar performance compared to latest NoC architectures. The thesis concludes that careful codesigned elements from different network levels enable considerable power savings for many-core systems.Siirretty Doriast

Self-adaptivity of applications on network on chip multiprocessors: the case of fault-tolerant Kahn process networks

Technology scaling accompanied with higher operating frequencies and the ability to integrate more functionality in the same chip has been the driving force behind delivering higher performance computing systems at lower costs. Embedded computing systems, which have been riding the same wave of success, have evolved into complex architectures encompassing a high number of cores interconnected by an on-chip network (usually identified as Multiprocessor System-on-Chip). However these trends are hindered by issues that arise as technology scaling continues towards deep submicron scales. Firstly, growing complexity of these systems and the variability introduced by process technologies make it ever harder to perform a thorough optimization of the system at design time. Secondly, designers are faced with a reliability wall that emerges as age-related degradation reduces the lifetime of transistors, and as the probability of defects escaping post-manufacturing testing is increased. In this thesis, we take on these challenges within the context of streaming applications running in network-on-chip based parallel (not necessarily homogeneous) systems-on-chip that adopt the no-remote memory access model. In particular, this thesis tackles two main problems: (1) fault-aware online task remapping, (2) application-level self-adaptation for quality management. For the former, by viewing fault tolerance as a self-adaptation aspect, we adopt a cross-layer approach that aims at graceful performance degradation by addressing permanent faults in processing elements mostly at system-level, in particular by exploiting redundancy available in multi-core platforms. We propose an optimal solution based on an integer linear programming formulation (suitable for design time adoption) as well as heuristic-based solutions to be used at run-time. We assess the impact of our approach on the lifetime reliability. We propose two recovery schemes based on a checkpoint-and-rollback and a rollforward technique. For the latter, we propose two variants of a monitor-controller- adapter loop that adapts application-level parameters to meet performance goals. We demonstrate not only that fault tolerance and self-adaptivity can be achieved in embedded platforms, but also that it can be done without incurring large overheads. In addressing these problems, we present techniques which have been realized (depending on their characteristics) in the form of a design tool, a run-time library or a hardware core to be added to the basic architecture

Design Space Exploration for MPSoC Architectures

Multiprocessor system-on-chip (MPSoC) designs utilize the available technology and communication architectures to meet the requirements of the upcoming applications. In MPSoC, the communication platform is both the key enabler, as well as the key differentiator for realizing efficient MPSoCs. It provides product differentiation to meet a diverse, multi-dimensional set of design constraints, including performance, power, energy, reconfigurability, scalability, cost, reliability and time-to-market. The communication resources of a single interconnection platform cannot be fully utilized by all kind of applications, such as the availability of higher communication bandwidth for computation but not data intensive applications is often unfeasible in the practical implementation. This thesis aims to perform the architecture-level design space exploration towards efficient and scalable resource utilization for MPSoC communication architecture. In order to meet the performance requirements within the design constraints, careful selection of MPSoC communication platform, resource aware partitioning and mapping of the application play important role. To enhance the utilization of communication resources, variety of techniques such as resource sharing, multicast to avoid re-transmission of identical data, and adaptive routing can be used. For implementation, these techniques should be customized according to the platform architecture. To address the resource utilization of MPSoC communication platforms, variety of architectures with different design parameters and performance levels, namely Segmented bus (SegBus), Network-on-Chip (NoC) and Three-Dimensional NoC (3D-NoC), are selected. Average packet latency and power consumption are the evaluation parameters for the proposed techniques. In conventional computing architectures, fault on a component makes the connected fault-free components inoperative. Resource sharing approach can utilize the fault-free components to retain the system performance by reducing the impact of faults. Design space exploration also guides to narrow down the selection of MPSoC architecture, which can meet the performance requirements with design constraints.Siirretty Doriast

A model-based approach for the specification and refinement of streaming applications

Embedded systems can be found in a wide range of applications. Depending on the application, embedded systems must meet a wide range of constraints. Thus, designing and programming embedded systems is a challenging task. Here, model-based design flows can be a solution. This thesis proposes novel approaches for the specification and refinement of streaming applications. To this end, it focuses on dataflow models. As key result, the proposed dataflow model provides for a seamless model-based design flow from system level to the instruction/logic level for a wide range of streaming applications