Proceedings of the first international workshop on Investigating dataflow in embedded computing architectures (IDEA 2015), January 21, 2015, Amsterdam, The Netherlands

IDEA '15 held at HiPEAC 2015, Amsterdam, The Netherlands on January 21st, 2015 is the rst workshop on Investigating Data ow in Embedded computing Architectures. This technical report comprises of the proceedings of IDEA '15. Over the years, data ow has been gaining popularity among Embedded Systems researchers around Europe and the world. However, research on data ow is limited to small pockets in dierent communities without a common forum for discussion. The goal of the workshop was to provide a platform to researchers and practitioners to present work on modelling and analysis of present and future high performance embedded computing architectures using data ow. Despite being the rst edition of the workshop, it was very pleasant to see a total of 14 submissions, out of which 6 papers were selected following a thorough reviewing process. All the papers were reviewed by at least 5 reviewers. This workshop could not have become a reality without the help of a Technical Program Committee (TPC). The TPC members not only did the hard work to give helpful reviews in time, but also participated in extensive discussion following the reviewing process, leading to an excellent workshop program and very valuable feedback to authors. Likewise, the Organisation Committee also deserves acknowledgment to make this workshop a successful event. We take this opportunity to thank everyone who contributed in making this workshop a success

Proceedings of the first international workshop on Investigating dataflow in embedded computing architectures (IDEA 2015), January 21, 2015, Amsterdam, The Netherlands

IDEA '15 held at HiPEAC 2015, Amsterdam, The Netherlands on January 21st, 2015 is the rst workshop on Investigating Data ow in Embedded computing Architectures. This technical report comprises of the proceedings of IDEA '15. Over the years, data ow has been gaining popularity among Embedded Systems researchers around Europe and the world. However, research on data ow is limited to small pockets in dierent communities without a common forum for discussion. The goal of the workshop was to provide a platform to researchers and practitioners to present work on modelling and analysis of present and future high performance embedded computing architectures using data ow. Despite being the rst edition of the workshop, it was very pleasant to see a total of 14 submissions, out of which 6 papers were selected following a thorough reviewing process. All the papers were reviewed by at least 5 reviewers. This workshop could not have become a reality without the help of a Technical Program Committee (TPC). The TPC members not only did the hard work to give helpful reviews in time, but also participated in extensive discussion following the reviewing process, leading to an excellent workshop program and very valuable feedback to authors. Likewise, the Organisation Committee also deserves acknowledgment to make this workshop a successful event. We take this opportunity to thank everyone who contributed in making this workshop a success

Predictable multi-processor system on chip design for multimedia applications

The design of multimedia systems has become increasingly complex due to consumer requirements. Consumers demand the functionalities offered by a huge desktop from these systems. Many of these systems are mobile. Therefore, power consumption and size of these devices should be small. These systems are increasingly becoming multi-processor based (MPSoCs) for the reasons of power and performance. Applications execute on these systems in different combinations also known as use-cases. Applications may have different performance requirements in each use-case. Currently, verification of all these use-cases takes bulk of the design effort. There is a need for analysis based techniques so that the platforms have a predictable behaviour and in turn provide guarantees on performance without expending precious man hours on verification. In this dissertation, techniques and architectures have been developed to design and manage these multi-processor based systems efficiently. The dissertation presents predictable architectural components for MPSoCs, a Predictable MPSoC design strategy, automatic platform synthesis tool, a run-time system and an MPSoC simulation technique. The introduction of predictability helps in rapid design of MPSoC platforms. Chapter 1 of the thesis studies the trends in modern multimedia applications and processor architectures. The chapter further highlights the problems in the design of MPSoC platforms and emphasizes the need of predictable design techniques. Predictable design techniques require predictable application and architectural components. The chapter further elaborates on Synchronous Data Flow Graphs which are used to model the applications throughout this thesis. The chapter presents the architecture template used in this thesis and enlists the contributions of the thesis. One of the contributions of this thesis is the design of a predictable component called communication assist. Chapter 2 of the thesis describes the architecture of this communication assist. The communication assist presented in this thesis not only decouples the communication from computation but also provides timing guarantees. Based on this communication assist, an MPSoC platform generation technique has been presented that can design MPSoC platforms capable of satisfying the throughput constraints of multiple applications in all use-cases. The technique is presented in Chapter 3. The design strategy uses three simple steps for platform design. In the first step it finds the required number of processors. The second step minimizes the communication interconnect between the processors and the third step minimizes the communication memory requirement of the platform. Further in Chapter 4, a tool has been developed to generate CA-based platforms for FPGAs. The output of this tool can be used to synthesize platforms on real hardware with the help of FPGA synthesis tools. The applications executing on these platforms often exhibit dynamism e.g. variation in task execution times and change in application throughput requirements. Further, new applications may often be added by consumers at run-time. Resource managers have been presented in literature to handle such dynamic situations. However, the scalability of these resource managers becomes an issue with the increase in number of processors and applications. Chapter 5 presents distributed run-time resource management techniques. Two versions of distributed resource managers have been presented which are scalable with the number of applications and processors. MPSoC platforms for real-time applications are designed assuming worst-case task execution times. It is known that the difference between average-case and worst-case behaviour can be quite large. Therefore, knowing the average case performance is also important for the system designer, and software simulation is often employed to estimate this. However, simulation in software is slow and does not scale with the number of applications and processing elements. In Chapter 6, a fast and scalable simulation methodology is introduced that can simulate the execution of multiple applications on an MPSoC platform. It is based on parallel execution of SDF (Synchronous Data Flow) models of applications. The simulation methodology uses Parallel Discrete Event Simulation (PDES) primitives and it is termed as "Smart Conservative PDES". The methodology generates a parallel simulator which is synthesizable on FPGAs. The framework can also be used to model dynamic arbitration policies which are difficult to analyse using models. The generated platform is also useful in carrying out Design Space Exploration as shown in the thesis. Finally, Chapter 7 summarizes the main findings and (practical) implications of the studies described in previous chapters of this dissertation. Using the contributions mentioned in the thesis, a designer can design and implement predictable multiprocessor based systems capable of satisfying throughput constraints of multiple applications in given set of use-cases, and employ resource management strategies to deal with dynamism in the applications. The chapter also describes the main limitations of this dissertation and makes suggestions for future research

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

Resource-constrained optimal scheduling of SDF graphs via timed automata (extended version)

Synchronous dataflow (SDF) graphs are a widely used formalism for modelling, analysing and realising streaming applications, both on a single processor and in a multiprocessing context. Efficient schedules are essential to obtain maximal throughput under the constraint of available number of resources. This paper presents an approach to schedule SDF graphs using a proven formalism of timed automata (TA). TA maintain a good balance between expressiveness and tractability, and are supported by powerful verification tools, e.g. Uppaal. We describe a compositional translation of SDF graphs to TA, and analysis and verification in the Uppaal state-of-the-art tool. This approach does not require any transformation of SDF graphs and helps to find schedules with a compromise between the number of processors required and the throughput. It also allows quantitative model checking and verification of user-defined properties such as the absence of deadlocks, safety, liveness and throughput analysis. This translation also forms the basis for future work to extend this analysis of SDF graphs with new features such as stochastics, energy consumption and costs

Analysis, design and management of multimedia multi- processor systems

Ph.DNUS-TU/E JOINT PH.D. PROGRAMM

Qduino: a cyber-physical programming platform for multicore Systems-on-Chip

Emerging multicore Systems-on-Chip are enabling new cyber-physical applications such as autonomous drones, driverless cars and smart manufacturing using web-connected 3D printers. Common to those applications is a communicating task pipeline, to acquire and process sensor data and produce outputs that control actuators. As a result, these applications usually have timing requirements for both individual tasks and task pipelines formed for sensor data processing and actuation. Current cyber-physical programming platforms, such as Arduino and embedded Linux with the POSIX interface do not allow application developers to specify those timing requirements. Moreover, none of them provide the programming interface to schedule tasks and map them to processor cores, while managing I/O in a predictable manner, on multicore hardware platforms. Hence, this thesis presents the Qduino programming platform. Qduino adopts the simplicity of the Arduino API, with additional support for real-time multithreaded sketches on multicore architectures. Qduino allows application developers to specify timing properties of individual tasks as well as task pipelines at the design stage. To this end, we propose a mathematical framework to derive each task’s budget and period from the specified end-to-end timing requirements. The second part of the thesis is motivated by the observation that at the center of these pipelines are tasks that typically require complex software support, such as sensor data fusion or image processing algorithms. These features are usually developed by many man-year engineering efforts and thus commonly seen on General-Purpose Operating Systems (GPOS). Therefore, in order to support modern, intelligent cyber-physical applications, we enhance the Qduino platform’s extensibility by taking advantage of the Quest-V virtualized partitioning kernel. The platform’s usability is demonstrated by building a novel web-connected 3D printer and a prototypical autonomous drone framework in Qduino

Decoupled Fitness Criteria for Reactive Systems

The correctness problem for reactive systems has been thoroughly explored and is well understood. Meanwhile, the efficiency problem for reactive systems has not received the same attention. Indeed, one correct system may be less fit than another correct system and determining this manually is challenging and often done ad hoc. We (1) propose a novel and general framework which automatically assigns comparable fitness scores to reactive systems using interpretable parameters that are decoupled from the system being evaluated, (2) state the computational problem of evaluating this fitness score and reduce this problem to a matrix analysis problem, (3) discuss symbolic and numerical methods for solving this matrix analysis problem, and (4) illustrate our approach by evaluating the fitness of nine systems across three case studies, including the Alternating Bit Protocol and Two Phase Commit.Comment: v2 notable changes: - updated discussion of "component separable" - updated presentation/organization of section 4 - updated presentation/organization of section 5 - added new case stud

Model-based symbolic design space exploration at the electronic system level: a systematic approach

In this thesis, a novel, fully systematic approach is proposed that addresses the automated design space exploration at the electronic system level. The problem is formulated as multi-objective optimization problem and is encoded symbolically using Answer Set Programming (ASP). Several specialized solvers are tightly coupled as background theories with the foreground ASP solver under the ASP modulo Theories (ASPmT) paradigm. By utilizing the ASPmT paradigm, the search is executed entirely systematically and the disparate synthesis steps can be coupled to explore the search space effectively.In dieser Arbeit wird ein vollständig systematischer Ansatz präsentiert, der sich mit der Entwurfsraumexploration auf der elektronischen Systemebene befasst. Das Problem wird als multikriterielles Optimierungsproblem formuliert und symbolisch mit Hilfe von Answer Set Programming (ASP) kodiert. Spezialisierte Solver sind im Rahmen des ASP modulo Theories (ASPmT) Paradigmas als Hintergrundtheorien eng mit dem ASP Solver gekoppelt. Durch die Verwendung von ASPmT wird die Suche systematisch ausgeführt und die individuellen Schritte können gekoppelt werden, um den Suchraum effektiv zu durchsuchen