Este trabalho visa dar uma contribuição para o aumento de eficiência no fluxo de projeto de sistemas integrados, especificamente na avaliação de desempenho da comunicação entre os seus blocos componentes. É proposto o uso de modelagem e simulação de hardware em alto nível, no nível de transações, denominado TLM, para aproveitar a redução de esforço e tempo que se pode oferecer ao projeto de sistemas integrados, diferentemente de enfoques convencionais em níveis mais baixos de descrição, como o nível de registradores (RTL). É proposta uma forma de análise do tráfego intrachip produzido na comunicação de elementos do sistema, visando-se o uso dos resultados obtidos para descrição de geradores de tráfego. A principal contribuição deste trabalho é a proposta da análise de séries de tráfego obtido durante simulação de plataformas de hardware descritas no nível TLM usando-se métodos estatísticos conhecidos da área de estudo de séries temporais. A análise permite ao projetista ter maior compreensão da natureza estatística do tráfego intrachip, denominada dependência de curta ou longa duração (SRD e LRD), para o posterior ajuste de modelos usados na geração de séries sintéticas que representem tal natureza. Os resultados da análise mostraram que o tráfego obtido por simulação TLM tem natureza similar em relação ao da do tráfego obtido por simulação num nível mais baixo de abstração, do tipo de precisão por ciclos, indicando que o tráfego TLM pode ser usado para a representação do tráfego intrachip. Outra contribuição deste trabalho é a proposta de ajuste de modelos paramétricos autossimilares usando-se a decomposição da série de tráfego original, tendo sido feita uma comparação dos resultados desta com o ajuste convencional feito a modelos sem decomposição. Estas contribuições foram agrupadas dentro de uma metodologia detalhada, apresentada neste documento, para a qual experimentos foram realizados. Os resultados a partir das séries sintéticas autossimilares geradas pelos modelos estimados, apresentaram semelhança nos indicadores de SRD e LRD em relação às séries originais TLM, mostrando ser favorável o uso futuro destas séries sintéticas na implementação de geradores de tráfego. / It is objective of this work to make a contribution to improve the efficiency of the integrated systems design flow, specifically on the evaluation of communication performance between component blocks. The use of high level hardware modeling and simulation, at the transaction level, known as TLM, is proposed, in order to take advantage of the reduction of effort and time for the integrated system design; that in contrast to the traditional approaches, which use lower hardware description level, such as register transfer level (RTL). A methodology to evaluate the intra-chip traffic produced by the communication between system elements is proposed. The main contribution of this work is the analysis of traffic time series obtained by simulation of hardware platforms modeled in TLM, using well-known statistical methods for time series analysis. The analysis allows the system developer to understand the statistical nature of the intra-chip traffic, also known as short and long range dependence (SRD and LRD), for later adjustment and accurate representation of the traffic nature in synthetic series. The analysis results have shown that traffic traces obtained by TLM simulation has similar statistical nature as the traffic traces obtained at lower abstraction level, as cycle accurate type, which indicates that TLM traffic could be used to represent intrachip traffic. Another contribution of this work is a fitting procedure to auto similar parametric models thought the decomposition of the original traffic, and its comparison to the results of the conventional fitting, when applied to models that are not decomposed. These contributions were grouped and included in the detailed methodology presented in this document, being a series of experiments carried out. The results related to self-similar synthetic series, obtained from the fitted models, have shown similarity to the SRD and LRD indicators of the original TLM series, what favors the use of synthetic series future for the implementation of traffic generators.

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.

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.

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.

L’objet de la thèse est la modélisation de systèmes hétérogènes intégrant différents domaines de la physique et à signaux mixtes, numériques et analogiques (AMS). Une étude approfondie de différentes techniques d’extraction et de calibration de modèles comportementaux de composants analogiques à différents niveaux d’abstraction et de précision est présentée. Cette étude a mis en lumière trois approches principales qui ont été validées par la modélisation de plusieurs applications issues de divers domaines: un amplificateur faible bruit (LNA), un capteur chimique basé sur des ondes acoustiques de surface (SAW), le développement à plusieurs niveaux d’abstraction d’un capteur CMOS vidéo, et son intégration dans une plateforme industrielle. Les outils développés sont basés sur les extensions AMS du standard IEEE 1666 SystemC mais les techniques proposées sont facilement transposables à d’autres langages tels que VHDL-AMS ou Verilog-AMS utilisés en conception de dispositifs mixtes. / The thesis objective is the modeling of heterogeneous systems. Such systems integrate different physical domains (mechanical, chemical, optical or magnetic) therefore integrate analog and mixed- signal (AMS) parts. The aim is to provide a methodology based on high-level modeling for assisting both the design and the verification of AMS systems. A study on different techniques for extracting behavioral models of analog devices at different abstraction levels and computational weights is presented. Three approaches are identified and regrouped in three techniques. These techniques have been validated through the virtual prototyping of different applications issued from different domains: a low noise amplifier (LNA), a surface acoustic wave-based (SAW) chemical sensor, a CMOS video sensor with models developed at different abstraction levels and their integration within an industrial platform. The flows developed are based on the AMS extensions of the SystemC (IEEE 1666) standard but the methodologies can be implemented using other Analog Hardware Description Languages (VHDL-AMS, Verilog-AMS) typically used for mixed-signal microelectronics design.