High Level Design and Control of Adaptive Multiprocessor Systems-on-Chip
Résumé
The design of modern embedded systems is getting more and more complex, as more functionality is integrated into these systems. At the same time, in order to meet the computational requirements while keeping a low level power consumption, MPSoCs have emerged as the main solutions for such embedded systems. Furthermore, embedded systems are becoming more and more adaptive, as the adaptivity can bring a number of benefits, such as software flexibility and energy efficiency. This thesis targets the safe design of such adaptive MPSoCs. First, each system configuration must be analyzed concerning its functional and non-functional properties. We present an abstract design and analysis framework, which allows for fast and cost-effective implementation decisions. This framework is intended as an intermediate reasoning support for system level software/hardware co-design environments. It can prune the design space at its largest, and identify candidate design solutions in a fast and efficient way. In the framework, we use an abstract clock-based encoding to model system behaviors. Different mapping and scheduling scenarios of applications on MPSoCs are analyzed via clock traces representing system simulations. Among properties of interest are functional behavioral correctness, temporal performance and energy consumption. Second, the reconfiguration management of adaptive MPSoCs must be addressed. We are specially interested in MPSoCs implemented on reconfigurable hardware architectures (i.e., FPGA fabrics), which provide a good flexibility and computational efficiency for adaptive MPSoCs. We propose a general design framework based on the discrete controller synthesis (DCS) technique to address this issue. The main advantage of this technique is that it allows the automatic controller synthesis w.r.t. a given specification of control objectives. In the framework, the system reconfiguration behavior is modeled in terms of synchronous parallel automata. The reconfiguration management computation problem w.r.t. multiple objectives regarding e.g., resource usages, performance and power consumption is encoded as a DCS problem. The existing BZR programming language and Sigali tool are employed to perform DCS and generate a controller that satisfies the system requirements. Finally, we investigate two different ways of combining the two proposed design frameworks for adaptive MPSoCs. Firstly, they are combined to construct a complete design flow for adaptive MPSoCs. Secondly, they are combined to present how the designed run-time manager by the second framework can be integrated into the first framework so as to perform combined simulations and analysis of adaptive MPSoCs.
La conception de systèmes embarqués modernes est de plus en plus complexe, car plus de fonctionnalités sont intégrées dans ces systèmes. En même temps, afin de répondre aux exigences de calcul tout en conservant une consommation d'énergie de faible niveau, MPSoCs sont apparus comme les principales solutions pour tels systèmes embarqués. En outre, les systèmes embarqués sont de plus en plus adaptatifs, comme l'adaptabilité peut apporter un certain nombre d'avantages, tels que la flexibilité du logiciel et l'efficacité énergétique. Cette thèse vise la conception sécuritaire de ces MPSoCs adaptatifs. Tout d'abord, chaque configuration de système doit être analysée en ce qui concerne ses propriétés fonctionnelles et non fonctionnelles. Nous présentons un cadre abstraite de conception et d'analyse qui permet des décisions d'implémentation rapide et rentable. Ce cadre est conçu comme un support de raisonnement intermédiaire pour les environnements de co-conception de logiciel / matériel au niveau de système. Il peut élaguer l'espace de conception à sa plus grande portée, et identifier les candidats de solutions de conception de manière rapide et efficace. Dans ce cadre, nous utilisons un codage basé sur l'horloge abstraite pour modéliser les comportements du système. Différents scénarios d'applications de mapping et de planification sur MPSoCs sont analysés via les traces d'horloge qui représentent les simulations du système. Les propriétés d'intérêt sont l'exactitude du comportement fonctionnel, la performance temporelle et la consommation d'énergie. Deuxièmement, la gestion de la reconfiguration de MPSoCs adaptatifs doit être abordée. Nous sommes particulièrement intéressés par les MPSoCs implémentés sur des architectures reconfigurables (ex. FPGAs) qui offrent une bonne flexibilité et une efficacité de calcul pour les MPSoCs adaptatifs. Nous proposons un cadre général de conception basé sur la technique de la synthèse de contrôleurs discrets (DCS) pour résoudre ce problème. L'avantage principal de cette technique est qu'elle permet une synthèse d'un contrôleur automatique selon une spécification des objectifs de contrôle. Dans ce cadre, le comportement de reconfiguration du système est modélisé en termes d'automates synchrones en parallèle. Le problème de calcul de la gestion reconfiguration selon de multiples objectifs concernant, par exemple, les usages des ressources, la performance et la consommation d'énergie, est codé comme un problème de DCS. Le langage de programmation BZR existant et l'outil Sigali sont employés pour effectuer DCS et générer un contrôleur qui satisfait aux exigences du système. Finalement, nous étudions deux façons différentes de combiner les deux cadres de conception proposées pour MPSoCs adaptatifs. Tout d'abord, ils sont combinés pour construire un flot de conception complet pour MPSoCs adaptatifs. Deuxièmement, ils sont combinés pour présenter la façon dont le manager run-time calculé par le second cadre peut être intégré dans le premier cadre afin de réaliser des simulations et des analyses combinées de MPSoCs adaptatifs.
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