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

Contribution au domaine de la conception d’objets communicants embarqués basse consommation et autonomes en énergie

This report proposes a synthesis of my research and teaching activities. Since 2008, as associate professor at the University of Nice Sophia Antipolis, I did my research into the MCSOC team from the LEAT laboratory. For nearly 15 years, my activity is focused on the design of embedded communicating objects, with a strong emphasis for high level approach allowing, early in the design flow, to model and optimize the performance as well as the consumed energy. Those system-level approaches are more and more relevant over the last few years and become a must-have solution for designing efficient embedded systems. My activity on energy harvesting for autonomous systems brings an original contribution to this domain and has a national and international impact. This document is organized in two parts: the first part is a synthesis of my research and teaching activity, while the second one presents in details my research work, putting in evidence my contributions and innovative aspects. The manuscript ends with a scientific overview as well as some perspectives.Ce manuscrit présente une synthèse de mes travaux de recherche. Depuis septembre 2008, date de ma nomination en tant que Maître de Conférences à l’Université de Nice Sophia Antipolis, j’ai effectué mes travaux de recherche au sein de la thématique MCSOC (Modélisation, Conception Système d’Objets Communicants) du laboratoire LEAT (Université de Nice Sophia Antipolis, UMR CNRS 7248). Depuis maintenant près de 15 ans, mes travaux de recherche s’intéressent au domaine de la conception d’objets communicants embarqués avec une évolution forte vers des approches de haut niveau d’abstraction permettant tôt dans le flot de conception, de modéliser et d’optimiser les performances et la consommation d’énergie. Ces approches de niveau système n’ont cessé de prendre de l’ampleur ces dernières années et s’installent aujourd’hui comme une solution incontournable du domaine de la conception de systèmes embarqués. Mes travaux plus spécifiques sur l’autonomie énergétique de ces systèmes apportent une contribution originale au domaine et ont un rayonnement national et international. Ce document est organisé en deux parties : la première partie propose une synthèse des travaux de recherche et d’enseignement ; la seconde présente de manière détaillée mes travaux de recherche en mettant en avant toutes ses contributions et originalités. Le manuscrit s’achève par un bilan scientifique ainsi que quelques perspectives de recherche

Cycle Accurate Bus Simulation using Transaction Level Modeling

Fokus dieser Arbeit ist die abstrakte Transaction-Level-Modellierung (TLM) von Kommunikationsstrukturen mit memory-mapped Bus-Interfaces. Dort wird der Begriff der Taktgenauigkeit untersucht, variiert und schließlich formal definiert. Darauf baut ein TLM-Modellierungsstil für taktgenaue Modelle auf, der unabhängig vom Busprotokoll ist. Dieser wird als ein Standard zur taktgenauen Modellierung von Kommunikation über memory-mapped Bus-Interfaces vorgeschlagen, und die Anwendbarkeit des Vorschlags wird untersucht. Es wird gezeigt, wie existierende memory-mapped Bus-Interfaces mit dem Standard modelliert werden können. Dabei werden auch Möglichkeiten zur Optimierung des verwendeten SystemC-Simulators hinsichtlich der taktgenauen Modellierung diskutiert. Evaluiert wird der vorgestellte Ansatz am Beispiel praxisrelevanter memory-mapped Bus-Interfaces wie ARM AMBA, IBM CoreConnect oder OCP. Die erzielbare Simulations-Performance wird untersucht durch Vergleiche von Register-Transfer- und taktgenauer TLM-Simulation beim CoreConnect-PLB von IBM.This thesis focusses on abstract transaction level modeling (TLM) of communication structureswith memory mapped bus interfaces. The term "cycle accuracy" is examined in detail and finally defined formally. A bus protocol independent cycle accurate TLM modeling style is built upon this definition. It is proposed as a standard for cycle accurate modeling of memory-mapped bus interface communication, and its applicability is analyzed. The thesis shows how existing memory mapped bus interfaces can be modeled using the standard. Possible performance optimization of the SystemC simulator used is discussed. The proposed approach is evaluated using state-of-the-art memory mapped bus interfaces such as ARM AMBA, IBM CoreConnect, and OCP. By comparing the register transfer level simulation and the cycle accurate TLM simulation of IBM’s CoreConnect PLB, the achievable simulation performance is examined