Plentiful research has addressed low-complexity software-based shared-memory systems since the idea was first introduced more than two decades ago. However, software-coherent systems have not been very successful in the commercial marketplace. We believe there are two main reasons for this: lack of performance and/or lack of binary compatibility. This thesis studies multiple aspects of how to design future binary-compatible high-performance scalable shared-memory servers while keeping the hardware complexity at a minimum. It starts with a software-based distributed shared-memory system relying on no specific hardware support and gradually moves towards architectures with simple hardware support. The evaluation is made in a modern chip-multiprocessor environment with both high-performance compute workloads and commercial applications. It shows that implementing the coherence-violation detection in hardware while solving the interchip coherence in software allows for high-performing binary-compatible systems with very low hardware complexity. Our second-generation hardware-software hybrid performs on par with, and often better than, traditional hardware-only designs. Based on our results, we conclude that it is not only possible to design simple systems while maintaining performance and the binary-compatibility envelope, it is often possible to get better performance than in traditional and more complex designs. We also explore two new techniques for evaluating a new shared-memory design throughout this work: adjustable simulation fidelity and statistical multiprocessor cache modeling.

Les systèmes Matériels/Logiciels deviennent indispensables dans tous les aspects de la vie quotidienne. La présence croissante de ces systèmes dans les différents produits et services incite à trouver des méthodes pour les développer efficacement. Mais une conception efficace de ces systèmes est limitée par plusieurs facteurs, certains d'entre eux sont: la complexité croissante des applications, une augmentation de la densité d'intégration, la nature hétérogène des produits et services, la diminution de temps d’accès au marché. Une modélisation transactionnelle (TLM) est considérée comme un paradigme prometteur permettant de gérer la complexité de conception et fournissant des moyens d’exploration et de validation d'alternatives de conception à des niveaux d’abstraction élevés. Cette recherche propose une méthodologie d’expression de temps dans TLM basée sur une analyse de contraintes temporelles. Nous proposons d'utiliser une combinaison de deux paradigmes de développement pour accélérer la conception: le TLM d'une part et une méthodologie d’expression de temps entre différentes transactions d’autre part. Cette synergie nous permet de combiner dans un seul environnement des méthodes de simulation performantes et des méthodes analytiques formelles. Nous avons proposé un nouvel algorithme de vérification temporelle basé sur la procédure de linéarisation des contraintes de type min/max et une technique d'optimisation afin d'améliorer l'efficacité de l'algorithme. Nous avons complété la description mathématique de tous les types de contraintes présentées dans la littérature. Nous avons développé des méthodes d'exploration et raffinement de système de communication qui nous a permis d'utiliser les algorithmes de vérification temporelle à différents niveaux TLM. Comme il existe plusieurs définitions du TLM, dans le cadre de notre recherche, nous avons défini une méthodologie de spécification et simulation pour des systèmes Matériel/Logiciel basée sur le paradigme de TLM. Dans cette méthodologie plusieurs concepts de modélisation peuvent être considérés séparément. Basée sur l'utilisation des technologies modernes de génie logiciel telles que XML, XSLT, XSD, la programmation orientée objet et plusieurs autres fournies par l’environnement .Net, la méthodologie proposée présente une approche qui rend possible une réutilisation des modèles intermédiaires afin de faire face à la contrainte de temps d’accès au marché. Elle fournit une approche générale dans la modélisation du système qui sépare les différents aspects de conception tels que des modèles de calculs utilisés pour décrire le système à des niveaux d’abstraction multiples. En conséquence, dans le modèle du système nous pouvons clairement identifier la fonctionnalité du système sans les détails reliés aux plateformes de développement et ceci mènera à améliorer la "portabilité" du modèle d'application. / Hardware/Software (Hw/Sw) systems are likely to become essential in all aspects of everyday life. The increasing penetration of Hw/Sw systems in products and services creates a necessity of their efficient development. However, the productive design of these systems is limited by several factors, some of them being the increasing complexity of applications, the increasing degree of integration, the heterogeneous nature of products and services as well as the shrinking of the time-to-market delay. Transaction Level Modeling (TLM) paradigm is considered as one of the most promising simulation paradigms to break down the design complexity by allowing the exploration and validation of design alternatives at high levels of abstraction. This research proposes a timing expression methodology in TLM based on temporal constraints analysis. We propose to use a combination of two paradigms to accelerate the design process: TLM on one hand and a methodology to express timing between different transactions on the other hand. Using a timing specification model and underlining timing constraints verification algorithms can decrease the time needed for verification by simulation. Combining in one framework the simulation and analytical design exploration methods can improve the analytical power of design verification and validation. We have proposed a new timing verification algorithm based on the linearization procedure and an optimization technique to improve its efficiency. We have completed the mathematical representation of all constraint types discussed in the literature creating in this way a unified timing specification methodology that can be used in the expression of a wider class of applications than previously presented ones. We have developed the methods for communication structure exploration and refinement that permitted us to apply the timing verification algorithms in system exploration at different TLM levels. As there are many definitions of TLM and many development environments proposing TLM in their design cycle with several pro and contra, in the context of our research we define a hardware/software (Hw/Sw) specification and simulation methodology which supports TLM in such a way that several modeling concepts can be seen separately. Relying on the use of modern software engineering technologies such as XML, XSLT, XSD, object oriented programming and others supported by the .Net Framework, an approach that makes an intermediate design model reuse possible in order to cope with time-to-market constraint is presented. The proposed TLM design methodology provides a general approach in system modeling that separates various application modeling aspects from system specification: computational models, used in application modeling, supported by the language used for the functional specification and provided by simulator. As a result, in the system model we can clearly identify system functionality without details related to the development platform thereby leading to a better “portability” of the application model.

Die Dissertationsschrift stellt eine Methodik und die Infrastruktur zur Entwicklung von dynamisch verteilbaren Anwendungen für heterogene Computersysteme vor. Diese Computersysteme besitzen vielfältige Rechenwerke, die Berechnungen in den Domänen Software und Hardware realisieren. Als erster Schritt wird ein übergreifendes und integriertes Vorgehen für den Anwendungsentwurf auf Basis eines abstrakten “Single-Source” Ansatzes entwickelt. Durch die Virtualisierung der Rechenwerke wird die preemptive Verteilung der Anwendungen auch über die Domänengrenzen möglich. Die Anwendungsentwicklung für diese Computersysteme bedarf einer durchgehend automatisierten Entwurfsunterstützung. In der Arbeit wird der dazu vorgeschlagene Ansatz formalisiert und eine neuartige Unterbrechungspunktsynthese entwickelt, die ein hinsichtlich Zeit und Fläche optimiertes, präemptives Verhalten für beliebige Anwendungsbeschreibungen generiert. Das Verfahren wird beispielhaft implementiert und mittels einer FPGA- Prototypenplattform mit Linux-basierter Laufzeitumgebung anhand dreier Fallbeispiele unterschiedlicher Komplexität validiert und evaluiert. / This thesis introduces a methodology and infrastructure for the development of dynamically distributable applications on heterogeneous computing systems. Such systems execute computations using resources from both the hardware and the software domain. An integrated approach based on an abstract single-source design entry is developed that allows preemptive partitioning through virtualization of computing resources across the boundaries of differing computational domains. Application design for heterogeneous computing systems is a complex task that demands aid by electronic design automation tools. This work provides a novel synthesis approach for breakpoints that generates preemptive behaviour for arbitrary applications. The breakpoint scheme is computed for a minimal additional resource utilization and given timing constraints. The approach is implemented on an FPGA prototyping platform driven by a Linux based runtime environment. Evaluation and validation of the approach have been carried out using three different application examples.

L'objectif du travail présenté dans cette thèse est de répondre à un verrou fondamental, qui est «comment programmer d'une manière rigoureuse et efficace des applications embarquées sur des plateformes multi-coeurs?». Cette problématique pose plusieurs défis: 1) le développement d'une approche rigoureuse basée sur les modèles pour pouvoir garantir la correction; 2) le « mariage » entre modèle physique et modèle de calcul, c'est-à-dire, l'intégration du fonctionnel et non-fonctionnel; 3) l'adaptabilité. Pour s'attaquer à ces défis, nous avons développé un flot de conception rigoureux autour du langage BIP. Ce flot de conception permet l'exploration de l'espace de conception, le traitement à diffèrent niveaux d'abstraction à la fois pour la plate-forme et l'application, la génération du code et le déploiement sur des plates-formes multi-cœurs. La méthode utilisée s'appuie sur des transformations source-vers-source des modèles BIP. Ces transformations sont correctes-par-construction. Nous illustrons ce flot de conception avec la modélisation et le déploiement de plusieurs applications sur deux plates-formes différentes. La première plate-forme considérée est MPARM, une plate-forme virtuelle, basée sur des processeurs ARM et structurée avec des clusters, où chacun contient plusieurs cœurs. Pour cette plate-forme, nous avons considérée les applications suivantes: la factorisation de Cholesky, le décodage MPEG-2, le décodage MJPEG, la Transformée de Fourier Rapide et un algorithme de demosaicing. La seconde plate-forme est P2012/STHORM, une plate-forme multi-cœur, basée sur plusieurs clusters capable d'une gestion énergétique efficace. L'application considérée sur P2012/STHORM est l'algorithme HMAX. Les résultats expérimentaux montrent l'intérêt du flot de conception, notamment l'analyse rapide des performances ainsi que la modélisation au niveau du système, la génération de code et le déploiement. / The advent of many-core platforms is nowadays challenging our capabilities for efficient and predictable design. To meet this challenge, designers need methods and tools for guaranteeing essential properties and determining tradeoffs between performance and efficient resource management. In the process of designing a mixed software/hardware system, functional constraints and also extra-functional specifications should be taken into account as an essential part for the design of embedded systems. The impact of design choices on the overall behavior of the system should also be analyzed. This implies a deep understanding of the interaction between application software and the underlying execution platform. We present a rigorous model-based design flow for building parallel applications running on top of many-core platforms. The flow is based on the BIP - Behavior, Interaction, Priority - component framework and its associated toolbox. The method allows generation of a correct-by-construction mixed hardware/software system model for manycore platforms from an application software and a mapping. It is based on source-to-source correct-by-construction transformations of BIP models. It provides full support for modeling application software and validation of its functional correctness, modeling and performance analysis of system-level models, code generation and deployment on target many-core platforms. Our design flow is illustrated through the modeling and deployment of various software applications on two different hardware platforms; MPARM and platform P2012/STHORM. MPARM is a virtual ARM-based multi-cluster manycore platform, configured by the number of clusters, the number of ARM cores per cluster, and their interconnections. On MPARM, the software applications considered are the Cholesky factorization, the MPEG-2 decoding, the MJPEG decoding, the Fast Fourier Transform and the Demosaicing algorithm. Platform 2012 (P2012/STHORM) is a power efficient manycore computing fabric, which is highly modular and based on multiple clusters capable of aggressive fine-grained power management. As a case study on P2012/STHORM, we used the HMAX algorithm. Experimental results show the merits of the design flow, notably performance analysis as well as correct-by-construction system level modeling, code generation and efficient deployment.

La conception des systèmes de contrôle embarqués devient de plus en plus complexe en raison des algorithmes utilisés, de l'augmentation des besoins industriels et de la nature des domaines d'applications. Une façon de gérer cette complexité est de concevoir les contrôleurs correspondant en se basant sur des plateformes numériques puissantes et ouvertes. Plus précisément, cette thèse s'intéresse à l'utilisation des plateformes FPGA System-on-Chip (SoC) pour la mise en œuvre des algorithmes d'entraînement électrique pour des applications avioniques. Ces dernières sont caractérisées par des difficultés techniques telles que leur environnement de travail (pression, température élevée) et les exigences de performance (le haut degré d'intégration, la flexibilité). Durant cette thèse, l'auteur a contribué à concevoir et à tester un contrôleur numérique pour un variateur de vitesse synchrone qui doit fonctionner à 200 °C de température ambiante. Il s'agit d'une commande par flux orienté (FOC) pour une Machine Synchrone à Aimants Permanents (MSAP) associée à un capteur de type résolveur. Une méthode de conception et de validation a été proposée et testée en utilisant une carte FPGA ProAsicPlus de la société Actel/Microsemi. L'impact de la température sur la fréquence de fonctionnement a également été analysé. Un état de l'art des technologies basées sur les SoC sur FPGA a été également présenté. Une description détaillée des plateformes numériques récentes et les contraintes en lien avec les applications embarquées a été également fourni. Ainsi, l'intérêt d'une approche basée sur SoC pour des applications d'entrainements électriques a été démontré. D'un autre coté et pour profiter pleinement des avantages offertes par les SoC, une méthodologie de Co-conception matériel-logiciel (hardware-software (HW-SW)) pour le contrôle d'entraînement électrique a été proposée. Cette méthode couvre l'ensemble des étapes de développement de l'application de contrôle à partir des spécifications jusqu'à la validation expérimentale. Une des principales étapes de cette méthode est le partitionnement HW-SW. Le but est de trouver une combinaison optimale entre les modules à mettre en œuvre dans la partie logiciel et celles qui doivent être mis en œuvre dans la partie matériel. Ce problème d'optimisation multi-objectif a été réalisé en utilisant l'algorithme de génétique, Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II). Ainsi, un Front de Pareto des solutions optimales peut être déduit. L'illustration de la méthodologie proposée a été effectuée en se basant sur l'exemple du régulateur de vitesse sans capteur utilisant le filtre de Kalman étendu (EKF). Le choix de cet exemple correspond à une tendance majeure dans le domaine des contrôleurs embraqués pour entrainements électriques. Par ailleurs, la gestion de l'architecture du contrôleur embarqué basée sur une approche SoC a été effectuée en utilisant un système d'exploitation temps réel. Afin d'accélérer les services de ce système d'exploitation, une unité temps réel a été développée en VHDL et associée au système d'exploitation. Il s'agit de placer les services d'ordonnanceur et des processus de communication du système d'exploitation logiciel au matériel. Ceci a permis une accélération significative du traitement. La validation expérimentale d'un contrôleur du courant a été effectuée en utilisant un banc de test du laboratoire. Les résultats obtenus prouvent l'intérêt de l'approche proposée. / Designing embedded control systems becomes increasingly complex due to the growing of algorithm complexity, the rising of industrials requirements and the nature of application domains. One way to handle with this complexity is to design the corresponding controllers on performing powerful and open digital platforms. More specifically, this PhD deals with the use of FPGA System-on-Chip (SoC) platforms for the implementation of complex AC drive controllers for avionic applications. These latters are characterized by stringent technical issues such as environment conditions (pressure, high temperature) and high performance requirements (high integration, flexibility and efficiency). During this thesis, the author has contributed to design and to test a digital controller for a high temperature synchronous drive that must operate at 200°C ambient. It consists on the Flux Oriented Controller (FOC) for a Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) associated with a Resolver sensor. A design and validation method has been proposed and tested using a FPGA ProAsicPlus board from Actel-Microsemi Company. The impact of the temperature on the operating frequency has been also analyzed. A state of the art FPGA SoC technology has been also presented. A detailed description of the recent digital platforms and constraints in link with embedded applications was investigated. Thus, the interest of a SoC-based approach for AC drives applications was also established. Additionally and to have full advantages of a SoC based approach, an appropriate HW-SW Co-design methodology for electrical AC drive has been proposed. This method covers the whole development steps of the control application from the specifications to the final experimental validation. One of the main important steps of this method is the HW-SW partitioning. The goal is to find an optimal combination between modules to be implemented in software and those to be implemented in hardware. This multi-objective optimization problem was performed with the Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II). Thus, the Pareto-Front of optimal solution can be deduced. The illustration of the proposed Co-design methodology was made based on the sensorless speed controller using the Extended Kalman Filter (EKF). The choice of this benchmark corresponds to a major trend in embedded control of AC drives. Besides, the management of SoC-based architecture of the embedded controller was allowed using an efficient Real-Time Operating System (RTOS). To accelerate the services of this operating system, a Real-Time Unit (RTU) was developed in VHDL and associated to the RTOS. It consists in hardware operating system that moves the scheduling and communication process from software RTOS to hardware. Thus, a significant acceleration has been achieved. The experimentation tests based on digital current controller were also carried out using a laboratory set-up. The obtained results prove the interest of the proposed approach.

Não informado. / Ambiente de Vida Assistida (AVA) é, essencialmente, uma proposta científica e tecnológica que visa auxiliar a manutenção da vida e o bem-estar de pessoas idosas ou com necessidades especiais. Para tanto, utiliza-se um sistema de controle que integra e coordena dispositivos inteligentes: braceletes, roupas, camas, quartos etc., com vistas a ampliar a autonomia dos indivíduos na execução das mais simples atividades diárias bem como prover remotamente serviços de saúde e de assistência social. Como então garantir, neste contexto, que o sistema não esteja interpretando uma situação equivocada da realidade do meio ou do próprio paciente? Ou ainda, como prevenir respostas inadequadas ou omissões irremediáveis? Apenas com o cumprimento eficaz de requisitos qualitativos, tais como técnicas de detecção de erros e tolerância a falhas poder-se-á minimizar tais circunstâncias inaceitáveis para preservação da saúde do indivíduo assistido. Neste diapasão, o presente estudo visa levantar o contexto de identificação de falhas em sistemas distribuídos assíncronos de modo a projetar, desenvolver e, em seguida, avaliar a eficácia do módulo de detecção de erros em sistema para controle de AVA por meio do emprego de tecnologias abertas (open hardware/software). A metodologia empregada para avaliação deste trabalho será a abordagem Goal Question Metric (GQM). Diante dos resultados encontrados identificou-se a necessidade de modificar um algoritmo de detector de erros originalmente proposto para redes móveis auto organizáveis (MANETs) de modo a torná-lo mais apropriado para o contexto de sistema para Ambiente de Vida Assistida.

Vestavěné systémy se staly nepostradatelnými pro náš každodenní život. Jsou to obvykle úzce zaměřená, vysoce optimalizovaná, jednoúčelová zařízení. Jádro vestavěných zařízení obvykle tvoří jeden nebo více aplikačně specifických instrukčních procesorů. Tato disertační práce se zaměřuje na problematiku testování nástrojú pro návrh aplikačně specifických procesorů a následně i samotných aplikačne specifických procesorů. Snahou bylo vytvořit systém, ve kterém bude možné otestovat jednotlivé nástroje, jako například překladač, assembler, disassembler, debugger. Nicméně vyvstává také potřeba provádět složitější testy, například integrační, které zaručí, že mezi jednotlivými nástroji nevzniká nekompatibilita. Autor vytvořil s podporou přůběžně integračního serveru prostředí, které napomáhá odhalování a odstraňování chyb při návrhu aplikačně specifických procesorů a které je navíc do značné míry automatizované.

Předmětem dizertační práce je návrh nových technik pro verifikaci hardwaru, které jsou optimalizovány pro použití v procesu souběžného vývoje hardwaru a softwaru. V rámci tohoto typu vývoje je hardware spolu se software vyvíjen paralelně s cílem urychlit vývoj nových systémů. Současné nástroje pro tvorbu mikroprocesorů stavějící na tomto stylu vývoje obvykle umožňují vývojářům ověřit jejich návrh využitím různých simulačních technik a/nebo za pomoci tzv. funkční verifikace. Společnou nevýhodou těchto přístupů je, že se zaměřují pouze na hledání chyb. Výsledný produkt tedy může stále obsahovat nenalezené netriviální defekty. Z tohoto důvodu se v posledních letech stává stále více žádané nasazení formálních metod. Na rozdíl od výše uvedených přístupů založených na hledání chyb, se formální verifikace zaměřuje na dodání rigorózního důkazu, že daný systém skutečně splňuje požadované vlastnosti. I když bylo v uplynulých letech v této oblasti dosaženo značného pokroku, tak aktuální formální přístupy nemají zdaleka schopnost plně automaticky prověřit všechny relevantní vlastnosti verifikovaného návrhu bez výrazného a často nákladného zapojení lidí v rámci verifikačního procesu. Tato práce se snaží řešit problém s automatizací verifikačního procesu jejím zaměřením na verifikační techniky, ve kterých je záměrně kladen menší důraz na jejich přesnost a obecnost, za cenu dosažení plné automatizace (např. vyloučením potřeby ručně vytvářet modely prostředí). Dále se práce také zaměřuje na efektivitu navrhovaných technik a jejich schopnost poskytovat nepřetržitou zpětnou vazbu o verifikačním procesu (např. v podobě podání informace o aktuálním stavu pokrytí). Zvláštní pozornost je pak věnována vývoji formálních metod ověřujících ekvivalenci návrhů mikroprocesorů na různých úrovních abstrakce. Tyto návrhy se mohou lišit ve způsobu, jakým jsou vnitřně zpracovány programové instrukce, nicméně z vnějšího pohledu (daného např. obsahem registrů viditelných z pozice programátora) musí být jejich chování při provádění stejného vstupního programu shodné. Kromě těchto témat se práce také zabývá problematikou návrhu metod pro verifikaci správnosti mechanismů zabraňujících výskytu datových a řídících hazardů v rámci linky zřetězeného zpracování instrukcí. Veškeré metody popsané v této práci byly implementovány ve formě několika nástrojů. Aplikací těchto nástrojů pro verifikaci návrhů netriviálních procesorů bylo dosaženo slibných experimentálních výsledků.

Die jedes Frühjahr stattfindende »Dresdner Arbeitstagung Schaltungs- und Systementwurf« wird traditionell vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen, Institutsteil Entwurfsautomatisierung (EAS) und vom Sächsischen Arbeitskreis Informationstechnik des VDE Bezirksvereins Dresden ausgerichtet. Die Arbeitstagung hat bereits eine über 30-jährige Tradition und wird von Wissenschaftlern aus Forschungsinstituten und Ingenieuren aus der Industrie für einen regen fachlichen Austausch genutzt. Gegenstand der Tagung sind aktuelle Ergebnisse und neue Erkenntnisse aus Forschung und Entwicklung sowie Erfahrungsberichte und Problemdiskussionen auf dem Gebiet des Entwurfs analoger, digitaler und hybrider Systeme. Das Tagungsprogramm bietet den Teilnehmern wieder interessante Beiträge über neue Lösungen zum Entwurf komplexer Schaltungen und Systeme, die auch Themen wie Rekonfigurierbarkeit, Architekturen, Performance, Hardware-Software, Test und Optimierung behandeln. Begleitend zur Tagung wird von der Firma Mentor Graphics ein Workshop zum Thema »Advanced Verification Methodology« angeboten. Hier werden an einem Beispiel die Vorteile der zukünftigen Design Verifikation mit System Verilog und Assertions erläutert. Der vorliegende Tagungsband enthält die Langfassungen der Beiträge, für deren Form und Inhalt die Autoren verantwortlich sind. Als Veranstalter bedanken wir uns bei den Autoren für die Bereitstellung dieser Beiträge, die als Grundlage für die fachlichen Diskussionen dienen, und bei den Teilnehmern für ihr Interesse an unserer Arbeitstagung.

During the design and verification of the Hyperstone S5 flash memory controller, we developed a highly effective way to use the SystemVerilog direct programming interface (DPI) to integrate an instruction set simulator (ISS) and a software debugger in logic simulation. The processor simulation was performed by the ISS, while all other hardware components were simulated in the logic simulator. The ISS integration allowed us to filter many of the bus accesses out of the logic simulation, accelerating runtime drastically. The software debugger integration freed both hardware and software engineers to work in their chosen development environments. Other benefits of this approach include testing and integrating code earlier in the design cycle and more easily reproducing, in simulation, problems found in FPGA prototypes.