Avec l'essor des nouvelles technologies d'intégration sur silicium submicroniques, la consommation de puissance dans les systèmes sur puce multiprocesseur (MPSoC) est devenue un facteur primordial au niveau du flot de conception. La prise en considération de ce facteur clé dès les premières phases de conception, joue un rôle primordial puisqu'elle permet d'augmenter la fiabilité des composants et de réduire le temps d'arrivée sur le marché du produit final. / Shifting the design entry point up to the system-level is the most important countermeasure adopted to manage the increasing complexity of Multiprocessor System on Chip (MPSoC). The reason is that decisions taken at this level, early in the design cycle, have the greatest impact on the final design in terms of power and energy efficiency. However, taking decisions at this level is very difficult, since the design space is extremely wide and it has so far been mostly a manual activity. Efficient system-level power estimation tools are therefore necessary to enable proper Design Space Exploration (DSE) based on power/energy and timing.

Une solution de gestion de puissance d'un système sur puce peut être définie par une architecture de faible puissance composée de multiples domaines d'alimentation et de leur stratégie de gestion. Si ces deux éléments sont économes en énergie, une solution efficace en énergie peut être obtenue. Cette approche nécessite l'ajout d'éléments structurels de puissance et de leurs comportements. Une stratégie de gestion doit respecter les dépendances structurelles et fonctionnelles dues au placement physique des domaines d'alimentation. Cette relation forte entre l'architecture et sa stratégie de gestion doit être analysée tôt dans le flot de conception pour trouver la solution de gestion de puissance la plus efficace. De récentes normes de conception basse consommation définissent des sémantiques pour la spécification, simulation et vérification d'architecture de faible puissance au niveau transfert de registres (RTL). Mais elles manquent une sémantique d'interface de gestion des domaines d'alimentation réutilisable ce qui alourdit l'exploration. Leurs sémantiques RTL ne sont pas aussi utilisables au niveau transactionnel pour une exploration plus rapide et facile. Pour combler ces lacunes, cette thèse étend ces normes et fournit une étude complète des possibilités d'optimisation de puissance basées sur la composition et la gestion des domaines d'alimentation pour des modèles fonctionnels transactionnels utilisant un environnement commun USLPAF. USLPAF comprend une méthodologie alliant conception et vérification des modèles transactionnels de faible consommation, ainsi qu'une bibliothèque de techniques de modélisation et fonctions prédéfinies pour appliquer cette méthodologie.

En réponse à la demande croissante de performance par une grande variété d’applications (exemples : modélisation financière, simulation sub-atomique, bio-informatique, etc.), les systèmes informatiques se complexifient et augmentent en taille (nombre de composants de calcul, mémoire et capacité de stockage). L’accroissement de la complexité de ces systèmes se traduit par une évolution de leur architecture vers une hétérogénéité des technologies de calcul et des modèles de programmation. La gestion harmonieuse de cette hétérogénéité, l’optimisation des ressources et la minimisation de la consommation constituent des défis techniques majeurs dans la conception des futurs systèmes informatiques.Cette thèse s’adresse à un domaine de cette complexité en se focalisant sur les sous-systèmes à mémoire partagée où l’ensemble des processeurs partagent un espace d’adressage commun. Les travaux porteront essentiellement sur l’implémentation d’un protocole de cohérence de cache et de consistance mémoire, sur une architecture extensible et sur la méthodologie de validation de cette implémentation.Dans notre approche, nous avons retenu les processeurs 64-bits d’ARM et des co-processeurs génériques (GPU, DSP, etc.) comme composants de calcul, les protocoles de mémoire partagée AMBA/ACE et AMBA/ACE-Lite ainsi que l’architecture associée « CoreLink CCN » comme solution de départ. La généralisation et la paramètrisation de cette architecture ainsi que sa validation dans l’environnement de simulation Gem5 constituent l’épine dorsale de cette thèse.Les résultats obtenus à la fin de la thèse, tendent à démontrer l’atteinte des objectifs fixés / In response to the growing demand for performance by a wide variety of applications (eg, financial modeling, sub-atomic simulation, bioinformatics, etc.), computer systems become more complex and increase in size (number of computing components, memory and storage capacity). The increased complexity of these systems results in a change in their architecture towards a heterogeneous computing technologies and programming models. The harmonious management of this heterogeneity, resource optimization and minimization of consumption are major technical challenges in the design of future computer systems.This thesis addresses a field of this complexity by focusing on shared memory subsystems where all processors share a common address space. Work will focus on the implementation of a cache coherence and memory consistency on an extensible architecture and methodology for validation of this implementation.In our approach, we selected processors 64-bit ARM and generic co-processor (GPU, DSP, etc.) as components of computing, shared memory protocols AMBA / ACE and AMBA / ACE-Lite and associated architecture "CoreLink CCN" as a starting solution. Generalization and parameterization of this architecture and its validation in the simulation environment GEM5 are the backbone of this thesis.The results at the end of the thesis, tend to demonstrate the achievement of objectives

Une solution de gestion de puissance d’un système sur puce peut être définie par une architecture de faible puissance composée de multiples domaines d'alimentation et de leur stratégie de gestion. Si ces deux éléments sont économes en énergie, une solution efficace en énergie peut être obtenue. Cette approche nécessite l’ajout d’éléments structurels de puissance et de leurs comportements. Une stratégie de gestion doit respecter les dépendances structurelles et fonctionnelles dues au placement physique des domaines d'alimentation. Cette relation forte entre l'architecture et sa stratégie de gestion doit être analysée tôt dans le flot de conception pour trouver la solution de gestion de puissance la plus efficace. De récentes normes de conception basse consommation définissent des sémantiques pour la spécification, simulation et vérification d’architecture de faible puissance au niveau transfert de registres (RTL). Mais elles manquent une sémantique d’interface de gestion des domaines d'alimentation réutilisable ce qui alourdit l’exploration. Leurs sémantiques RTL ne sont pas aussi utilisables au niveau transactionnel pour une exploration plus rapide et facile. Pour combler ces lacunes, cette thèse étend ces normes et fournit une étude complète des possibilités d'optimisation de puissance basées sur la composition et la gestion des domaines d'alimentation pour des modèles fonctionnels transactionnels utilisant un environnement commun USLPAF. USLPAF comprend une méthodologie alliant conception et vérification des modèles transactionnels de faible consommation, ainsi qu’une bibliothèque de techniques de modélisation et fonctions prédéfinies pour appliquer cette méthodologie. / A SoC power management solution can be defined by a low-power architecture composed of multiple power domains and a power management strategy for power domains states control. If these two elements are energy-efficient, an energy-efficient solution can be obtained. This approach requires inferring power structural elements and their related behavior in the chip internal logic. A strategy adjusting the power domains states must respect structural and functional dependencies due to the physical power domains composition. This strong relationship between power architecture and its management strategy must be explored at early design stages to find the most energy-efficient solution. Low-power design standards have recently enabled low-power architecture exploration starting from the Register Transfer Level (RTL) by defining semantics to specify power architecture, simulate and check its behavior along with the initial functional one. But, these standards miss semantics for reusable power domain control interface making power management strategies exploration tedious. The RTL-based semantics defined by these standards constrain also their use at Transaction-Level of Modeling (TLM) for fast and easy exploration. This dissertation proposes extensions to low-power standards to fill these gaps. It provides a complete study of power optimization opportunities based on composition and management of power domains in Transaction-Level (TL) functional models within a common USLPAF framework. USLPAF includes a methodology that combines design and verification of TL low-power models. To apply this methodology, USLPAF incorporates a library of modeling techniques and built-in features.

Les systemes monopuce deviennent de plus en plus complexes, integrant composants a la fois logiciels et materiels dans le but de procurer une capacite de calcul croissante aux applications embarquees. L'interconnexion des composants devient un element crucial de la conception ; il fournit aux concepteursdes fonctionalites avancees telles qu'operations atomiques, transactions paralleles et primitives de communication permettant des systemes securises. Le concept de reseau sur puce s'impose comme element de communicationpour les architectures d'interconnexion des systemes de la prochaine generation. Le role des reseaux sur puce consiste a remplacer les bus partages dont la mise a l'echelle comporte de serieux problemes de conception et represente un goulot d'etranglement pour le systeme global. La modelisation d'un reseau sur puce est une tache extremement complexe ; ces modeles doivent etre a la fois rapides en terme d'execution, precis et il doivent exporter des interfaces standard an d'en ameliorer la reutilisation. Les principales contributions de cet ouvrage sont representees par : (1) le developpement d'un simulateur de reseaux sur puce complet, precis au cycle pres, base sur OCCN, un logiciel de simulation libre disponible sur sourceforge a l'adresse http://occn.sourceforge.net , (2) l'integration de plusieurs environnements de simulation heterogenes en plate-formes tres complexes utilisees pour etudier des systemes monopuce reels produits par STMicroelectronics et (3) une connaissance complete des concepts sous-jacents aux reseaux sur puce qui a apporte une contribution importante au developpement de STNoC., la nouvelle technologie d'interconnexion de STMicroelectronics developpee au sein du laboratoire Advanced System Technology (AST) de Grenoble. L'environnement de modelisation realise a ete utilise pour l'etude de deux systemes monopuce reels developpes par STMicroelectronics orientes vers la television numerique a tres haute denition (HDTV).

Avec l'essor des nouvelles technologies d'intégration sur silicium submicroniques, la consommation de puissance dans les systèmes sur puce multiprocesseur (MPSoC) est devenue un facteur primordial au niveau du flot de conception. La prise en considération de ce facteur clé dés les premières phases de conception, joue un rôle primordial puisqu'elle permet d'augmenter la fiabilité des composants et de réduire le temps d'arrivée sur le marché du produit final. Dans cette thèse, nous proposons une méthodologie efficace pour l'estimation de la consommation de puissance des plateformes MPSoC. Cette méthodologie repose sur une combinaison d'une analyse fonctionnelle de la puissance (FLPA) pour l'obtention des modèles de consommation et d'une technique de simulation au niveau transactionnel (TLM) pour calculer la puissance de l'ensemble du système. Fondamentalement, FLPA est proposée pour modéliser le comportement des processeurs en terme de consommation afin d'obtenir des modèles paramétrés de haut niveau. Dans ce travail, FLPA est étendue pour mettre en place des modèles de puissance génériques pour les différentes parties du système (mémoire, logique reconfigurable, etc.). En outre, un environnement de simulation a été développé au niveau transactionnel afin d'évaluer avec précision les activités utilisées dans les modèles de consommation. La combinaison de ces deux parties conduit à une estimation de la puissance hybride qui donne un meilleur compromis entre la précision et la vitesse. La méthodologie proposée a plusieurs avantages: elle estime la consommation du système embarqué dans tous ses éléments et conduit à des estimations précises sans matériel coûteux et complexe. La méthodologie proposée est évolutive pour explorer des architectures complexes embarquées. Notre outil d'estimation de puissance au niveau du système PETS (Power Estimation Tool at System-level) est développé sur la base de la méthodologie proposée. L'efficacité de notre outil PETS en termes de précision et rapidité est validée par des architectures embarquées monoprocesseur et multiprocesseur conçues autour des plateformes OMAP (3530 et 5912) et FPGA Pro Xilinx Virtex II.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la modélisation, la spécification et la vérification des modèlesdes Systèmes sur Puce (SoCs) au niveau d’abstraction transactionnel et à un niveau d’abstraction plus élevé.Les SoCs sont hétérogènes: ils comprennent des composants matériels et des processeurs pour réaliser le logicielincorporé, qui est en lien direct avec du matériel. La modélisation transactionnelle (TLM) basée sur SystemCa été très fructueuse à fournir des modèles exécutables des SoCs à un haut niveau d’abstraction, aussi appelésprototypes virtuels (VPs). Ces modèles peuvent être utilisés plus tôt dans le cycle de développement des logiciels,et la validation des matériels réels. La vérification basée sur assertions (ABV) permet de vérifier les propriétés tôtdans le cycle de conception de façon à trouver les défauts et faire gagner du temps et de l’effort nécessaires pourla correction de ces défauts. Les modèles TL peuvent être sur-contraints, c’est-à-dire qu’ils ne presentent pastous les comportements du matériel. Ainsi, ceci ne permet pas la détection de tous les défauts de la conception.Nos contributions consistent en deux parties orthogonales et complémentaires: D’une part, nous identifions lessources des sur-contraintes dans les modèles TLM, qui apparaissent à cause de l’ordre d’interaction entre lescomposants. Nous proposons une notion d’ordre mou qui permet la suppression de ces sur-contraintes. D’autrepart, nous présentons un mécanisme généralisé de stubbing qui permet la simulation précoce avec des prototypesvirtuels SystemC/TLM.Nous offrons un jeu de patrons pour capturer les propriétés d’ordre mou et définissons une transformationdirecte de ces patrons en moniteurs SystemC. Notre mécanisme généralisé du stubbing permet la simulationprécoce avec les prototypes virtuels SystemC/TLM, dans lesquels certains composants ne sont pas entièrementdéterminés sur les valeurs des données échangées, l’ordre d’interaction et/ou le timing. Ces composants nepossèdent qu’une spécification abstraite, sous forme de contraintes entre les entrées et les sorties. Nous montronsque les problèmes essentielles de la synchronisation entre les composants peuvent être capturés à l’aide de notresimulation avec les stubs. Le mécanisme est générique; nous mettons l’accent uniquement sur les concepts-clés,les principes et les règles qui rendent le mécanisme de stubbing implémentable et applicable aux études de casindustriels. N’importe quel language de spécification satisfaisant nos exigences (par ex. le langage des ordresmou) peut être utilisé pour spécifier les composants, c’est-à-dire il peut être branché au framework de stubbing.Nous fournissons une preuve de concept pour démontrer l’intérêt d’utiliser la simulation avec stubs pour ladétection anticipée et la localisation des défauts de synchronisation du modèle. / The work presented in this thesis deals with modeling, specification and testing of models of Systems-on-a-Chip (SoCs) at the transaction abstraction level and higher. SoCs are heterogeneous: they comprise bothhardware components and processors to execute embedded software, which closely interacts with hardware.SystemC-based Transaction Level Modeling (TLM) has been very successful in providing high-level executablecomponent-based models for SoCs, also called virtual prototypes (VPs). These models can be used early in thedesign flow for the development of the software and the validation of the actual hardware. For SystemC/TLMvirtual prototypes, Assertion-Based Verification (ABV) allows property checking early in the design cycle,helping to find bugs early in the model and to save time and effort that are needed for their fixing. TL modelscan be over-constrained, which means that they do not represent all the behaviors of the hardware, and thus,do not allow detection of some malfunctions of the prototype. Our contributions consist of two orthogonal andcomplementary parts: On the one hand, we identify sources of over-constraints in TL models appearing due tothe order of interactions between components, and propose a notion of loose-ordering which allows to removethese over-constraints. On the other hand, we propose a generalized stubbing mechanism which allows the veryearly simulation with SystemC/TLM virtual prototypes.We propose a set of patterns to capture loose-ordering properties, and define a direct translation of thesepatterns into SystemC monitors. Our generalized stubbing mechanism enables the early simulation with Sys-temC/TLM virtual prototypes, in which some components are not entirely determined on the values of theexchanged data, the order of the interactions and/or the timing. Those components have very abstract speci-fications only, in the form of constraints between inputs and outputs. We show that essential synchronizationproblems between components can be captured using our simulation with stubs. The mechanism is generic;we focus only on key concepts, principles and rules which make the stubbing mechanism implementable andapplicable for real, industrial case studies. Any specification language satisfying our requirements (e.g., loose-orderings) can be used to specify the components, i.e., it can be plugged in the stubbing framework. We providea proof of concept to demonstrate the interest of using the simulation with stubs for very early detection andlocalization of synchronization bugs of the design.

Les systèmes embarqués sur puce (SoC) envahissent notre vie quotidienne. Avec les progrès technologiques, ils intègrent de plus en plus de fonctionnalités complexes impliquant des charges de calcul et des tailles de mémoire importantes. Alors que leur complexité est une tendance clé, la consommation d’énergie est aussi devenue un facteur critique pour la conception de SoC. Dans ce contexte, nous avons étudié une approche de modélisation au niveau transactionnel qui associe à un modèle fonctionnel SystemC-TLM une description d’une structure de gestion d’un arbre d’horloge décrit au même niveau d’abstraction. Cette structure développée dans une approche de séparation des préoccupations fournit à la fois l’interface pour la gestion de puissance des composants matériels et pour le logiciel applicatif. L’ensemble des modèles développés est rassemblé dans une librairie ClkARCH. Pour appliquer à un modèle fonctionnel un modèle d’un arbre d’horloge, nous proposons une méthodologie en trois étapes : spécification, modélisation et simulation. Une étape de vérification en simulation est aussi considérée basée sur des contrats de type assertion. De plus, nos travaux visent à être compatibles avec des outils de conception actuels. Nous avons proposé une représentation d’une structure de gestion d’horloge et de puissance dans le standard IP-XACT permettant de produire les descriptions C++ des structures de gestion de puissance du SoC. Enfin, nous avons proposé une approche de gestion de puissance basée sur l’observation globale des états fonctionnels du système dans le but d’éviter ainsi des prises de décisions locales peu efficaces à une optimisation de l’énergie. / Embedded systems-on-chip (SoC) invade our daily life. With advances in semiconductor technology, these systems integrate more and more complex and energy-intensive features which generate increasing computation load and memory size requirements. While the complexity of these systems is a key trend, energy consumption has emerged as a critical factor for SoC designers. In this context, we have studied a modeling transactional level approach allowing a description of a clock tree and its management structure to be associated with a functional model, both described at the same abstraction level. This structure developed in a separation of concerns approach provides both the interface to the power consumption management of the hardware components and the application software. All the models developed are gathered in a C++ ClkArch library. To apply to a SystemC-TLM architecture model a clock tree intent with its control part, we propose a methodology based on three steps: specification, modeling and simulation. A verification step based on simulation is also considered using contracts of assertion type. This work aims to build a modelling approach on current design tools. So we propose a representation of a clock and power management structure in the IP-XACT standard allowing a C++ description of the SoC power management structures to be generated. Finally, a power management strategy based on the global functional states of the components of the system architecture is proposed. This strategy avoids local decision-making unsuited to optimized overall power/energy management.