Principes et réalisation d'une interface de synchronisation interopérable entre modèles de calcul SystemC AMS pour le prototypage virtuel optimisé de systèmes multi-disciplines

The design of embedded systems is currently an increasingly complex problem. These systems tend to become heterogeneous in the sense that they require the integration of components described by means of different physical/engineering disciplines, for example, electrical, optical, thermal, mechanical, chemical, or biological. Besides, these disciplines can be described under different time domains, for example, Discrete Event (DE), Discrete Time (DT), or Continuous Time (CT). To address this problem, designers require modeling and simulation tools to describe the system’s components under different time domains and synchronize them in the same simulation environment. We explore the possibilities of modeling, simulating and synchronizing multi-disciplinary systems in the same environment, using as reference the SystemC Analog/Mixed-Signal (AMS) simulation standard. We analyze the method introduced in SystemC AMS for synchronizing the DE and DT domains, and we identify its drawbacks. Besides, we introduce a new formalization of the synchronization problem, which is used to detect issues in a model before simulation. We propose a simulator prototype called SystemC Multi-Disciplinary Virtual Prototyping (MDVP), which is implemented as an extension of SystemC. It allows the modeling, and the generic hierarchical elaboration and simulation of multi-disciplinary systems, by means of different Models of Computation (MoCs). To build the MDVP simulator, we introduce a synchronization principle to handle interactions between MoCs. In addition, we introduce a methodology to add, in the simulator prototype, MoCs described under different time domains. We apply this methodology to add a Timed Data Flow MoC in SystemC MDVP. This MoC implements the DT semantics introduced by the SystemC AMS standard, and is based on the synchronization principle between the DE and DT domains. Using the TDF MoC, we implement and simulate a case study of a vibration sensor model and its digital front end circuit. This case study includes a feedback loop and several interactions between the DE and DT domains.La conception de systèmes embarqués devient de plus en plus complexe. Ces systèmes sont hétérogènes dans le sens où ils nécessitent l’intégration de composants décrits au moyen de plusieurs disciplines scientifiques, par exemple, l’électricité, l’optique, la thermique, la mécanique, la chimie ou la biologie. De plus, ces disciplines peuvent être représentées dans des domaines temporels différents, par exemple, le domaine des événements discrets, celui du temps discret, ou celui du temps continu. Face à cette situation, les concepteurs ont besoin d’outils de modélisation et de simulation efficaces pour décrire le comportement d’un système hétérogène dans un environnement de simulation unique. Nous examinons la possibilité de modéliser, de simuler et de synchroniser les systèmes multi-disciplines dans le même environnement, en utilisant comme référence la norme de simulation « SystemC Analog/Mixed-Signal (AMS) ». Nous analysons la méthode introduite par SystemC AMS pour synchroniser le domaine des événements discrets avec celui du temps discret, et nous identifions ses inconvénients. Nous proposons une formalisation du problème de synchronisation qui permet de détecter les problèmes existants dans un modèle avant la simulation. Nous proposons un prototype de simulateur appelé « SystemC Multi-Disciplinary Virtual Prototyping (MDVP) », qui est implémenté comme une extension de SystemC. Il permet la modélisation, l’élaboration, et la simulation hiérarchique de systèmes multi-disciplines au moyen de plusieurs modèles de calcul. Pour concevoir le simulateur MDVP, nous introduisons un nouveau principe de synchronisation entre plusieurs modèles de calcul. En outre, nous introduisons une méthodologie pour ajouter, dans le prototype de simulateur, des modèles de calcul représentés par plusieurs domaines temporels. Nous appliquons cette méthodologie pour ajouter un modèle de calcul « Timed Data Flow (TDF) » dans SystemC MDVP. Ce modèle de calcul repose sur la sémantique du temps discret introduite par SystemC AMS, et sur la formalisation du principe de synchronisation entre le domaine des événements discrets et celui du temps discret. Nous mettons en œuvre le modèle de calcul TDF, dans le cas d’un capteur de vibrations et son circuit numérique. Ce modèle comporte une boucle d’asservissement et plusieurs interactions entre le domaine des événements discrets et celui du temps discret

Principles and implementation of a generic synchronization interface between SystemC AMS models of computation for the virtual prototyping of multi-disciplinary systems

La conception de systèmes embarqués devient de plus en plus complexe. Ces systèmes sont hétérogènes dans le sens où ils nécessitent l’intégration de composants décrits au moyen de plusieurs disciplines scientifiques, par exemple, l’électricité, l’optique, la thermique, la mécanique, la chimie ou la biologie. De plus, ces disciplines peuvent être représentées dans des domaines temporels différents, par exemple, le domaine des événements discrets, celui du temps discret, ou celui du temps continu. Face à cette situation, les concepteurs ont besoin d’outils de modélisation et de simulation efficaces pour décrire le comportement d’un système hétérogène dans un environnement de simulation unique. Nous examinons la possibilité de modéliser, de simuler et de synchroniser les systèmes multi-disciplines dans le même environnement, en utilisant comme référence la norme de simulation « SystemC Analog/Mixed-Signal (AMS) ». Nous analysons la méthode introduite par SystemC AMS pour synchroniser le domaine des événements discrets avec celui du temps discret, et nous identifions ses inconvénients. Nous proposons une formalisation du problème de synchronisation qui permet de détecter les problèmes existants dans un modèle avant la simulation. Nous proposons un prototype de simulateur appelé « SystemC Multi-Disciplinary Virtual Prototyping (MDVP) », qui est implémenté comme une extension de SystemC. Il permet la modélisation, l’élaboration, et la simulation hiérarchique de systèmes multi-disciplines au moyen de plusieurs modèles de calcul. Pour concevoir le simulateur MDVP, nous introduisons un nouveau principe de synchronisation entre plusieurs modèles de calcul. En outre, nous introduisons une méthodologie pour ajouter, dans le prototype de simulateur, des modèles de calcul représentés par plusieurs domaines temporels. Nous appliquons cette méthodologie pour ajouter un modèle de calcul « Timed Data Flow (TDF) » dans SystemC MDVP. Ce modèle de calcul repose sur la sémantique du temps discret introduite par SystemC AMS, et sur la formalisation du principe de synchronisation entre le domaine des événements discrets et celui du temps discret. Nous mettons en œuvre le modèle de calcul TDF, dans le cas d’un capteur de vibrations et son circuit numérique. Ce modèle comporte une boucle d’asservissement et plusieurs interactions entre le domaine des événements discrets et celui du temps discret.The design of embedded systems is currently an increasingly complex problem. These systems tend to become heterogeneous in the sense that they require the integration of components described by means of different physical/engineering disciplines, for example, electrical, optical, thermal, mechanical, chemical, or biological. Besides, these disciplines can be described under different time domains, for example, Discrete Event (DE), Discrete Time (DT), or Continuous Time (CT). To address this problem, designers require modeling and simulation tools to describe the system’s components under different time domains and synchronize them in the same simulation environment. We explore the possibilities of modeling, simulating and synchronizing multi-disciplinary systems in the same environment, using as reference the SystemC Analog/Mixed-Signal (AMS) simulation standard. We analyze the method introduced in SystemC AMS for synchronizing the DE and DT domains, and we identify its drawbacks. Besides, we introduce a new formalization of the synchronization problem, which is used to detect issues in a model before simulation. We propose a simulator prototype called SystemC Multi-Disciplinary Virtual Prototyping (MDVP), which is implemented as an extension of SystemC. It allows the modeling, and the generic hierarchical elaboration and simulation of multi-disciplinary systems, by means of different Models of Computation (MoCs). To build the MDVP simulator, we introduce a synchronization principle to handle interactions between MoCs. In addition, we introduce a methodology to add, in the simulator prototype, MoCs described under different time domains. We apply this methodology to add a Timed Data Flow MoC in SystemC MDVP. This MoC implements the DT semantics introduced by the SystemC AMS standard, and is based on the synchronization principle between the DE and DT domains. Using the TDF MoC, we implement and simulate a case study of a vibration sensor model and its digital front end circuit. This case study includes a feedback loop and several interactions between the DE and DT domains

Multi-Processor System-on-Chip 2: Applications

International audienceA Multi-Processor System-on-Chip (MPSoC) is the key component for complex applications. These applications put huge pressure on memory, communication devices and computing units. This book, presented in two volumes Â? Architectures and Applications Â? therefore celebrates the 20th anniversary of MPSoC, an interdisciplinary forum that focuses on multi-core and multi-processor hardware and software systems. It is this interdisciplinarity which has led to MPSoC bringing together experts in these fields from around the world, over the last two decades.Multi-Processor System-on-Chip 2 covers application-specific MPSoC design, including compilers and architecture exploration. This second volume describes optimization methods, tools to optimize and port specific applications on MPSoC architectures. Details on compilation, power consumption and wireless communication are also presented, as well as examples of modeling frameworks and CAD tools. Explanations of specific platforms for automotive and real-time computing are also included

Systèmes multiprocesseurs sur puce 2 - Applications

ISBN ebook : 978-1-78949-022-0International audienceLes syst&egrave;mes multiprocesseurs sur puce (MPSoC) sont des composants cl&eacute;s pour les applications complexes qui impliquent une grande pression sur la m&eacute;moire, les dispositifs de communication et les unit&eacute;s de calcul. Depuis vingt ans, MPSoC rassemble, lors d&rsquo;un forum interdisciplinaire, des experts des syst&egrave;mes mat&eacute;riels, des logiciels multicoeurs et des multiprocesseurs venus du monde entier. C&rsquo;est pour c&eacute;l&eacute;brer le 20e anniversaire de MPSoC que cet ouvrage est publi&eacute;, de m&ecirc;me que le second tome sur les applications.Syst&egrave;mes multiprocesseurs sur puce 2 est consacr&eacute; aux applications. Il couvre la conception de MPSoC, les compilateurs et l&rsquo;exploration d&rsquo;architectures. Il d&eacute;crit les m&eacute;thodes d&rsquo;optimisation et les outils permettant de porter des applications sp&eacute;cifiques sur les architectures MPSoC : la compilation, la consommation d&rsquo;&eacute;nergie et la communication sans fil sont d&eacute;taill&eacute;es, des exemples d&rsquo;outils de mod&eacute;lisation et de CAO sont pr&eacute;sent&eacute;s ainsi que les plates-formes sp&eacute;cifiques pour l&rsquo;automobile et l&rsquo;informatique en temps r&eacute;el.</p

Multi-Processor System-on-Chip 1: Architectures

International audienceA Multi-Processor System-on-Chip (MPSoC) is the key component for complex applications. These applications put huge pressure on memory, communication devices and computing units. This book, presented in two volumes Architectures and Applications therefore celebrates the 20th anniversary of MPSoC, an interdisciplinary forum that focuses on multi-core and multi-processor hardware and software systems. It is this interdisciplinarity which has led to MPSoC bringing together experts in these fields from around the world, over the last two decades.Multi-Processor System-on-Chip 1 covers the key components of MPSoC: processors, memory, interconnect and interfaces. It describes advance features of these components and technologies to build efficient MPSoC architectures. All the main components are detailed: use of memory and their technology, communication support and consistency, and specific processor architectures for general purposes or for dedicated applications

Systèmes multiprocesseurs sur puce 1 - Architectures

ISBN ebook : 978-1-78949-021-3International audienceLes syst&egrave;mes multiprocesseurs sur puce (MPSoC) sont des composants cl&eacute;s pour les applications complexes qui impliquent une grande pression sur la m&eacute;moire, les dispositifs de communication et les unit&eacute;s de calcul. Depuis vingt ans, MPSoC rassemble, lors d&rsquo;un forum interdisciplinaire, des experts des syst&egrave;mes mat&eacute;riels, des logiciels multicoeurs et des multiprocesseurs venus du monde entier. C&rsquo;est pour c&eacute;l&eacute;brer le 20e anniversaire de MPSoC que cet ouvrage est publi&eacute;, de m&ecirc;me que le second tome sur les applications.Syst&egrave;mes multiprocesseurs sur puce 1 est consacr&eacute; aux architectures. Il d&eacute;crit les caract&eacute;ristiques avanc&eacute;es des composants cl&eacute;s des MPSoC : les processeurs, la m&eacute;moire, l&rsquo;interconnexion et les interfaces. Il d&eacute;taille &eacute;galement les technologies permettant de construire des architectures MPSoC efficaces, en particulier l&rsquo;utilisation de la m&eacute;moire et de sa technologie, le support et la coh&eacute;rence des communications et des architectures de processeurs sp&eacute;cifiques pour les applications g&eacute;n&eacute;rales ou d&eacute;di&eacute;es.</p

State of the art in hardware-accelerated neural networks

Vidéo de la présentation: https://www.youtube.com/watch?v=zU7vtDDgUicInternational audienc

Synchronization of Continuous Time and Discrete Events Simulation in SystemC

International audienceModeling and simulation of cyber-physical devices is difficult because of their heterogeneity: they mix discrete event hardware and software with continuous time physical processes. Discrete events simulation progresses by discrete timesteps while continuous time simulation does so in a time continuum; despite different time representations, data must be transmitted between both domains at precise points in time. Synchronizing these domains in an efficient and accurate manner is the core problem of continuous time and discrete events simulation. As a design tool, SystemC AMS introduces a synchronization strategy based on fixed timesteps that proves useful for a large set of use cases. But this strategy generates inaccuracies that cannot be overcome without penalizing simulation speed. In this paper, we propose a new continuous time and discrete events synchronization algorithm on top of the SystemC framework and prove its causality, completeness and liveness. We also propose an adaptive algorithm to adjust the synchronization step to provide near to optimum simulation speed. We test our solution with three demanding case studies that include non-linear equations, Zeno behavior, and high sensitivity to accuracy errors. Results show that our algorithm circumvents these challenges, attains high accuracy with respect to established tools, and improves simulation speed. This work aims at enlarging the modeling and simulation capabilities of SystemC as a heterogeneous design tool

Electronic System Level Design of Heterogeneous Systems: a Motor Speed Control System Case Study

International audienceAlthough SystemC and its AMS extensions are widely promoted for the design of heterogeneous systems, very few complete cases studies are actually available. In this work, we present a digital and an analog version of a motor speed controller, and detail various modeling approaches. In the digital version, the executable specification is refined to a TLM virtual prototype that runs SW code on a QEMU emulated RISC-V, to study the effect of HW/SW design decisions on the physical system dynamics. In the analog version, the controller equation is mapped to a SystemC AMS model and refined from the discrete- time to the continuous-time domain. By simulating this system, we illustrate the effectiveness of SystemC and SystemC AMS for heterogeneous design space exploration. The example is available at https://gricad-gitlab.univ-grenoble-alpes.fr/tima/public/newcas201

Accurate and Efficient Continuous Time and Discrete Events Simulation in SystemC

International audienceThe AMS extensions of SystemC emerged to aid the virtual prototyping of continuous time and discrete event heterogeneous systems. Although useful for a large set of use cases, synchronization of both domains through a fixed timestep generates inaccuracies that cannot be overcome without penalizing simulation speed. We propose a direct, optimistic, and causal synchronization algorithm on top of the SystemC kernel that explicitly handles the rich set of interactions that occur in the domain interface. We test our algorithm with a complex nonlinear automotive use case and show that it breaks the described accuracy and efficiency trade-off. Our work enlarges the applicability range of SystemC AMS based design frameworks