Predictable embedded multiprocessor architecture for streaming applications

The focus of this thesis is on embedded media systems that execute applications from the application domain car infotainment. These applications, which we refer to as jobs, typically fall in the class of streaming, i.e. they process on a stream of data. The jobs are executed on heterogeneous multiprocessor platforms, for performance and power efficiency reasons. Most of these jobs have firm real-time requirements, like throughput and end-to-end latency. Car-infotainment systems become increasingly more complex, due to an increase in the supported number of jobs and an increase of resource sharing. Therefore, it is hard to verify, for each job, that the realtime requirements are satisfied. To reduce the verification effort, we elaborate on an architecture for a predictable system from which we can verify, at design time, that the job’s throughput and end-to-end latency requirements are satisfied. This thesis introduces a network-based multiprocessor system that is predictable. This is achieved by starting with an architecture where processors have private local memories and execute tasks in a static order, so that the uncertainty in the temporal behaviour is minimised. As an interconnect, we use a network that supports guaranteed communication services so that it is guaranteed that data is delivered in time. The architecture is extended with shared local memories, run-time scheduling of tasks, and a memory hierarchy. Dataflow modelling and analysis techniques are used for verification, because they allow cyclic data dependencies that influence the job’s performance. Shown is how to construct a dataflow model from a job that is mapped onto our predictable multiprocessor platforms. This dataflow model takes into account: computation of tasks, communication between tasks, buffer capacities, and scheduling of shared resources. The job’s throughput and end-to-end latency bounds are derived from a self-timed execution of the dataflow graph, by making use of existing dataflow-analysis techniques. It is shown that the derived bounds are tight, e.g. for our channel equaliser job, the accuracy of the derived throughput bound is within 10.1%. Furthermore, it is shown that the dataflow modelling and analysis techniques can be used despite the use of shared memories, run-time scheduling of tasks, and caches

Dataflow Analysis for Multiprocessor Systems with Non-Starvation-Free Schedulers

Dataflow analysis techniques are suitable for the temporal analysis of real-time stream processing applications. However, the applicability of these models is currently limited to systems with starvation-free schedulers, such as Time-Division Multiplexing (TDM) schedulers. Removal of this limitation would broaden the application domain of dataflow analysis techniques significantly. In this paper we present a temporal analysis technique for Homogeneous Synchronous Dataflow (HSDF) graphs, that is also applicable for systems with non-starvation-free schedulers. Unlike existing dataflow analysis techniques, the proposed analysis technique makes use of an enabling-jitter characterization and iterative fixed-point computation. The presented approach is applicable for arbitrary (cyclic) graph topologies. Buffer capacity constraints are taken into account during the analysis and sufficient buffer capacities can be determined afterwards. The approach presented in this paper is the first approach that considers non-starvation-free schedulers in combination with arbitrary HSDF graphs. The proposed dataflow analysis technique is implemented in a tool. This tool is used to evaluate the analysis technique using examples that illustrate some important differences with other temporal analysis methods. The case-study discusses how the method presented in this paper can be used to solve a problem with the inaccuracy of the temporal analysis results of a real-time stream processing system. This stream processing system consists of an FM receiver together with a DAB receiver application which both share a Digital Signal Processor (DSP)

Generalized Extraction of Real-Time Parameters for Homogeneous Synchronous Dataflow Graphs

23rd Euromicro International Conference on Parallel, Distributed, and Network-Based Processing (PDP 2015). 4 to 6, Mar, 2015. Turku, Finland.Many embedded multi-core systems incorporate both dataflow applications with timing constraints and traditional real-time applications. Applying real-time scheduling techniques on such systems provides real-time guarantees that all running applications will execute safely without violating their deadlines. However, to apply traditional realtime scheduling techniques on such mixed systems, a unified model to represent both types of applications running on the system is required. Several earlier works have addressed this problem and solutions have been proposed that address acyclic graphs, implicit-deadline models or are able to extract timing parameters considering specific scheduling algorithms. In this paper, we present an algorithm for extracting real-time parameters (offsets, deadlines and periods) that are independent of the schedulability analysis, other applications running in the system, and the specific platform. The proposed algorithm: 1) enables applying traditional real-time schedulers and analysis techniques on cyclic or acyclic Homogeneous Synchronous Dataflow (HSDF) applications with periodic sources, 2) captures overlapping iterations, which is a main characteristic of the execution of dataflow applications, 3) provides a method to assign offsets and individual deadlines for HSDF actors, and 4) is compatible with widely used deadline assignment techniques, such as NORM and PURE. The paper proves the correctness of the proposed algorithm through formal proofs and examples

Chapter 4 DATAFLOW ANALYSIS FOR REAL-TIME EMBEDDED MULTIPROCESSOR SYSTEM DESIGN

Keywords: Dataflow analysis techniques are key to reduce the number of design iterations and shorten the design time of real-time embedded network based multiprocessor systems that process data streams. With these analysis techniques the worstcase end-to-end temporal behavior of hard real-time applications can be derived from a dataflow model in which computation, communication and arbitration is modeled. For soft real-time applications these static dataflow analysis techniques are combined with simulation of the dataflow model to test statistical assertions about their temporal behavior. The simulation results in combination with properties of the dataflow model are used to derive the sensitivity of design parameters and to estimate parameters like the capacity of data buffers. real-time, dataflow analysis, multiprocessor system, predictable design, systemon-chip 1

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

Static analysis on embedded heterogeneous multiprocessor systems

Mestrado em Engenharia de Computadores e Telemátic

Modeling, Analysis, and Hard Real-time Scheduling of Adaptive Streaming Applications

In real-time systems, the application's behavior has to be predictable at compile-time to guarantee timing constraints. However, modern streaming applications which exhibit adaptive behavior due to mode switching at run-time, may degrade system predictability due to unknown behavior of the application during mode transitions. Therefore, proper temporal analysis during mode transitions is imperative to preserve system predictability. To this end, in this paper, we initially introduce Mode Aware Data Flow (MADF) which is our new predictable Model of Computation (MoC) to efficiently capture the behavior of adaptive streaming applications. Then, as an important part of the operational semantics of MADF, we propose the Maximum-Overlap Offset (MOO) which is our novel protocol for mode transitions. The main advantage of this transition protocol is that, in contrast to self-timed transition protocols, it avoids timing interference between modes upon mode transitions. As a result, any mode transition can be analyzed independently from the mode transitions that occurred in the past. Based on this transition protocol, we propose a hard real-time analysis as well to guarantee timing constraints by avoiding processor overloading during mode transitions. Therefore, using this protocol, we can derive a lower bound and an upper bound on the earliest starting time of the tasks in the new mode during mode transitions in such a way that hard real-time constraints are respected.Comment: Accepted for presentation at EMSOFT 2018 and for publication in IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems (TCAD) as part of the ESWEEK-TCAD special issu

Dataflow Analysis for Real-Time Embedded Multiprocessor System Design

Dataflow analysis techniques are key to reduce the number of design iterations and shorten the design time of real-time embedded network based multiprocessor systems that process data streams. With these analysis techniques the worst-case end-to-end temporal behavior of hard real-time applications can be derived from a dataflow model in which computation, communication and arbitration is modeled. For soft real-time applications these static dataflow analysis techniques are combined with simulation of the dataflow model to test statistical assertions about their temporal behavior. The simulation results in combination with properties of the dataflow model are used to derive the sensitivity of design parameters and to estimate parameters like the capacity of data buffers