Modelado en alto nivel con SystemC

El presente proyecto final de carrera titulado “Modelado de alto nivel con SystemC” tiene como objetivo principal el modelado de algunos módulos de un codificador de vídeo MPEG-2 utilizando el lenguaje de descripción de sistemas igitales SystemC con un nivel de abstracción TLM o Transaction Level Modeling. SystemC es un lenguaje de descripción de sistemas digitales basado en C++. En él hay un conjunto de rutinas y librerías que implementan tipos de datos, estructuras y procesos especiales para el modelado de sistemas digitales. Su descripción se puede consultar en [GLMS02] El nivel de abstracción TLM se caracteriza por separar la comunicación entre los módulos de su funcionalidad. Este nivel de abstracción hace un mayor énfasis en la funcionalidad de la comunicación entre los módulos (de donde a donde van datos) que la implementación exacta de la misma. En los documentos [RSPF] y [HG] se describen el TLM y un ejemplo de implementación. La arquitectura del modelo se basa en el codificador MVIP-2 descrito en [Gar04], de dicho modelo, los módulos implementados son: · IVIDEOH: módulo que realiza un filtrado del vídeo de entrada en la dimensión horizontal y guarda en memoria el video filtrado. · IVIDEOV: módulo que lee de la memoria el vídeo filtrado por IVIDEOH, realiza el filtrado en la dimensión horizontal y escribe el video filtrado en memoria. · DCT: módulo que lee el video filtrado por IVIDEOV, hace la transformada discreta del coseno y guarda el vídeo transformado en la memoria. · QUANT: módulo que lee el video transformado por DCT, lo cuantifica y guarda el resultado en la memoria. · IQUANT: módulo que lee el video cuantificado por QUANT, realiza la cuantificación inversa y guarda el resultado en memoria. · IDCT: módulo que lee el video procesado por IQUANT, realiza la transformada inversa del coseno y guarda el resultado en memoria. · IMEM: módulo que hace de interfaz entre los módulos anteriores y la memoria. Gestiona las peticiones simultáneas de acceso a la memoria y asegura el acceso exclusivo a la memoria en cada instante de tiempo. Todos estos módulos aparecen en gris en la siguiente figura en la que se muestra la arquitectura del modelo: Figura 1. Arquitectura del modelo (VER PDF DEL PFC) En figura también aparecen unos módulos en blanco, dichos módulos son de pruebas y se han añadido para realizar simulaciones y probar los módulos del modelo: · CAMARA: módulo que simula una cámara en blanco y negro, lee la luminancia de un fichero de vídeo y lo envía al modelo a través de una FIFO. · FIFO: hace de interfaz entre la cámara y el modelo, guarda los datos que envía la cámara hasta que IVIDEOH los lee. · CONTROL: módulo que se encarga de controlar los módulos que procesan el vídeo, estos le indican cuando terminan de procesar un frame de vídeo y este módulo se encarga de iniciar los módulos que sean necesarios para seguir con la codificación. Este módulo se encarga del correcto secuenciamiento de los módulos procesadores de vídeo. · RAM: módulo que simula una memoria RAM, incluye un retardo programable en el acceso. Para las pruebas también se han generado ficheros de vídeo con el resultado de cada módulo procesador de vídeo, ficheros con mensajes y un fichero de trazas en el que se muestra el secuenciamiento de los procesadores. Como resultado del trabajo en el presente PFC se puede concluir que SystemC permite el modelado de sistemas digitales con bastante sencillez (hace falta conocimientos previos de C++ y programación orientada objetos) y permite la realización de modelos con un nivel de abstracción mayor a RTL, el habitual en Verilog y VHDL, en el caso del presente PFC, el TLM. ABSTRACT This final career project titled “High level modeling with SystemC” have as main objective the modeling of some of the modules of an MPEG-2 video coder using the SystemC digital systems description language at the TLM or Transaction Level Modeling abstraction level. SystemC is a digital systems description language based in C++. It contains routines and libraries that define special data types, structures and process to model digital systems. There is a complete description of the SystemC language in the document [GLMS02]. The main characteristic of TLM abstraction level is that it separates the communication among modules of their functionality. This abstraction level puts a higher emphasis in the functionality of the communication (from where to where the data go) than the exact implementation of it. The TLM and an example are described in the documents [RSPF] and [HG]. The architecture of the model is based in the MVIP-2 video coder (described in the document [Gar04]) The modeled modules are: · IVIDEOH: module that filter the video input in the horizontal dimension. It saves the filtered video in the memory. · IVIDEOV: module that read the IVIDEOH filtered video, filter it in the vertical dimension and save the filtered video in the memory. · DCT: module that read the IVIDEOV filtered video, do the discrete cosine transform and save the transformed video in the memory. · QUANT: module that read the DCT transformed video, quantify it and save the quantified video in the memory. · IQUANT: module that read the QUANT processed video, do the inverse quantification and save the result in the memory. · IDCT: module that read the IQUANT processed video, do the inverse cosine transform and save the result in the memory. · IMEM: this module is the interface between the modules described previously and the memory. It manage the simultaneous accesses to the memory and ensure an unique access at each instant of time All this modules are included in grey in the following figure (SEE PDF OF PFC). This figure shows the architecture of the model: Figure 1. Architecture of the model This figure also includes other modules in white, these modules have been added to the model in order to simulate and prove the modules of the model: · CAMARA: simulates a black and white video camera, it reads the luminance of a video file and sends it to the model through a FIFO. · FIFO: is the interface between the camera and the model, it saves the video data sent by the camera until the IVIDEOH module reads it. · CONTROL: controls the modules that process the video. These modules indicate the CONTROL module when they have finished the processing of a video frame. The CONTROL module, then, init the necessary modules to continue with the video coding. This module is responsible of the right sequence of the video processing modules. · RAM: it simulates a RAM memory; it also simulates a programmable delay in the access to the memory. It has been generated video files, text files and a trace file to check the correct function of the model. The trace file shows the sequence of the video processing modules. As a result of the present final career project, it can be deduced that it is quite easy to model digital systems with SystemC (it is only needed previous knowledge of C++ and object oriented programming) and it also allow the modeling with a level of abstraction higher than the RTL used in Verilog and VHDL, in the case of the present final career project, the TLM.

Energy and power aware scheduling algorithm modeling for battery powered embedded systems

Energy management has always been recognized as a challenge in mobile systems, especially in modern OS-based mobile systems where multi-functioning are widely supported. Nowadays, it is common for a mobile system user to run multiple applications simultaneously while having a target battery lifetime in mind for a specific application. Traditional OS-level power management (PM) policies make their best effort to save energy under performance constraint, but fail to guarantee a target lifetime, leaving the painful trading off between the total performance of applications and the target lifetime to the user itself. This thesis provides a new way to deal with the problem. It is advocated that a strong energy-aware PM scheme should first guarantee a user-specified battery lifetime to a target application by restricting the average power of those less important applications, and in addition to that, maximize the total performance of applications without harming the lifetime guarantee. As a support, energy, instead of CPU or transmission bandwidth, should be globally managed as the first-class resource by the OS. As the first-stage work of a complete PM scheme, this thesis presents the energy-based fair queuing scheduling, a novel class of energy-aware scheduling algorithms which, in combination with a mechanism of battery discharge rate restricting, systematically manage energy as the first-class resource with the objective of guaranteeing a user-specified battery lifetime for a target application in OS-based mobile systems. Energy-based fair queuing is a cross-application of the traditional fair queuing in the energy management domain. It assigns a power share to each task, and manages energy by proportionally serving energy to tasks according to their assigned power shares. The proportional energy use establishes proportional share of the system power among tasks, which guarantees a minimum power for each task and thus, avoids energy starvation on any task. Energy-based fair queuing treats all tasks equally as one type and supports periodical time-sensitive tasks by allocating each of them a share of system power that is adequate to meet the highest energy demand in all periods. However, an overly conservative power share is usually required to guarantee the meeting of all time constraints. To provide more effective and flexible support for various types of time-sensitive tasks in general purpose operating systems, an extra real-time friendly mechanism is introduced to combine priority-based scheduling into the energy-based fair queuing. Since a method is available to control the maximum time one time-sensitive task can run with priority, the power control and time-constraint meeting can be flexibly traded off. A SystemC-based test-bench is designed to assess the algorithms. Simulation results show the success of the energy-based fair queuing in achieving proportional energy use, time-constraint meeting, and a proper trading off between them. La gestión de energía en los sistema móviles está considerada hoy en día como un reto fundamental, notándose, especialmente, en aquellos terminales que utilizando un sistema operativo implementan múltiples funciones. Es común en los sistemas móviles actuales ejecutar simultaneamente diferentes aplicaciones y tener, para una de ellas, un objetivo de tiempo de uso de la batería. Tradicionalmente, las políticas de gestión de consumo de potencia de los sistemas operativos hacen lo que está en sus manos para ahorrar energía y satisfacer sus requisitos de prestaciones, pero no son capaces de proporcionar un objetivo de tiempo de utilización del sistema, dejando al usuario la difícil tarea de buscar un compromiso entre prestaciones y tiempo de utilización del sistema. Esta tesis, como contribución, proporciona una nueva manera de afrontar el problema. En ella se establece que un esquema de gestión de consumo de energía debería, en primer lugar, garantizar, para una aplicación dada, un tiempo mínimo de utilización de la batería que estuviera especificado por el usuario, restringiendo la potencia media consumida por las aplicaciones que se puedan considerar menos importantes y, en segundo lugar, maximizar las prestaciones globales sin comprometer la garantía de utilización de la batería. Como soporte de lo anterior, la energía, en lugar del tiempo de CPU o el ancho de banda, debería gestionarse globalmente por el sistema operativo como recurso de primera clase. Como primera fase en el desarrollo completo de un esquema de gestión de consumo, esta tesis presenta un algoritmo de planificación de encolado equitativo (fair queueing) basado en el consumo de energía, es decir, una nueva clase de algoritmos de planificación que, en combinación con mecanismos que restrinjan la tasa de descarga de una batería, gestionen de forma sistemática la energía como recurso de primera clase, con el objetivo de garantizar, para una aplicación dada, un tiempo de uso de la batería, definido por el usuario, en sistemas móviles empotrados. El encolado equitativo de energía es una extensión al dominio de la energía del encolado equitativo tradicional. Esta clase de algoritmos asigna una reserva de potencia a cada tarea y gestiona la energía sirviéndola de manera proporcional a su reserva. Este uso proporcional de la energía garantiza que cada tarea reciba una porción de potencia y evita que haya tareas que se vean privadas de recibir energía por otras con un comportamiento más ambicioso. Esta clase de algoritmos trata a todas las tareas por igual y puede planificar tareas periódicas en tiempo real asignando a cada una de ellas una reserva de potencia que es adecuada para proporcionar la mayor de las cantidades de energía demandadas por período. Sin embargo, es posible demostrar que sólo se consigue cumplir con los requisitos impuestos por todos los plazos temporales con reservas de potencia extremadamente conservadoras. En esta tesis, para proporcionar un soporte más flexible y eficiente para diferentes tipos de tareas de tiempo real junto con el resto de tareas, se combina un mecanismo de planificación basado en prioridades con el encolado equitativo basado en energía. En esta clase de algoritmos, gracias al método introducido, que controla el tiempo que se ejecuta con prioridad una tarea de tiempo real, se puede establecer un compromiso entre el cumplimiento de los requisitos de tiempo real y el consumo de potencia. Para evaluar los algoritmos, se ha diseñado en SystemC un banco de pruebas. Los resultados muestran que el algoritmo de encolado equitativo basado en el consumo de energía consigue el balance entre el uso proporcional a la energía reservada y el cumplimiento de los requisitos de tiempo real.

Fault management techniques for systems with SRAM-based FPGAs

Las Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) SRAM se construyen sobre una memoria de configuración de tecnología RAM Estática (SRAM). Presentan múltiples características que las hacen muy interesantes para diseñar sistemas empotrados complejos. En primer lugar presentan un coste no-recurrente de ingeniería (NRE) bajo, ya que los elementos lógicos y de enrutado están pre-implementados (el diseño de usuario define su conexionado). También, a diferencia de otras tecnologías de FPGA, pueden ser reconfiguradas (incluso en campo) un número ilimitado de veces. Es más, las FPGAs SRAM de Xilinx soportan Reconfiguración Parcial Dinámica (DPR), la cual permite reconfigurar la FPGA sin interrumpir la aplicación. Finalmente, presentan una alta densidad de lógica, una alta capacidad de procesamiento y un rico juego de macro-bloques. Sin embargo, un inconveniente de esta tecnología es su susceptibilidad a la radiación ionizante, la cual aumenta con el grado de integración (geometrías más pequeñas, menores tensiones y mayores frecuencias). Esta es una precupación de primer nivel para aplicaciones en entornos altamente radiativos y con requisitos de alta confiabilidad. Este fenómeno conlleva una degradación a largo plazo y también puede inducir fallos instantáneos, los cuales pueden ser reversibles o producir daños irreversibles. En las FPGAs SRAM, los fallos inducidos por radiación pueden aparecer en en dos capas de arquitectura diferentes, que están físicamente superpuestas en el dado de silicio. La Capa de Aplicación (o A-Layer) contiene el hardware definido por el usuario, y la Capa de Configuración contiene la memoria de configuración y la circuitería de soporte. Los fallos en cualquiera de estas capas pueden hacer fracasar el sistema, lo cual puede ser ás o menos tolerable dependiendo de los requisitos de confiabilidad del sistema. En el caso general, estos fallos deben gestionados de alguna manera. Esta tesis trata sobre la gestión de fallos en FPGAs SRAM a nivel de sistema, en el contexto de sistemas empotrados autónomos y confiables operando en un entorno radiativo. La tesis se centra principalmente en aplicaciones espaciales, pero los mismos principios pueden aplicarse a aplicaciones terrenas. Las principales diferencias entre ambas son el nivel de radiación y la posibilidad de mantenimiento. Las diferentes técnicas para la gestión de fallos en A-Layer y C-Layer son clasificados, y sus implicaciones en la confiabilidad del sistema son analizados. Se proponen varias arquitecturas tanto para Gestores de Fallos de una capa como de doble-capa. Para estos últimos se propone una arquitectura novedosa, flexible y versátil. Gestiona las dos capas concurrentemente de manera coordinada, y permite equilibrar el nivel de redundancia y la confiabilidad. Con el objeto de validar técnicas de gestión de fallos dinámicas, se desarrollan dos diferentes soluciones. La primera es un entorno de simulación para Gestores de Fallos de C-Layer, basado en SystemC como lenguaje de modelado y como simulador basado en eventos. Este entorno y su metodología asociada permite explorar el espacio de diseño del Gestor de Fallos, desacoplando su diseño del desarrollo de la FPGA objetivo. El entorno incluye modelos tanto para la C-Layer de la FPGA como para el Gestor de Fallos, los cuales pueden interactuar a diferentes niveles de abstracción (a nivel de configuration frames y a nivel físico JTAG o SelectMAP). El entorno es configurable, escalable y versátil, e incluye capacidades de inyección de fallos. Los resultados de simulación para algunos escenarios son presentados y comentados. La segunda es una plataforma de validación para Gestores de Fallos de FPGAs Xilinx Virtex. La plataforma hardware aloja tres Módulos de FPGA Xilinx Virtex-4 FX12 y dos Módulos de Unidad de Microcontrolador (MCUs) de 32-bits de propósito general. Los Módulos MCU permiten prototipar Gestores de Fallos de C-Layer y A-Layer basados en software. Cada Módulo FPGA implementa un enlace de A-Layer Ethernet (a través de un switch Ethernet) con uno de los Módulos MCU, y un enlace de C-Layer JTAG con el otro. Además, ambos Módulos MCU intercambian comandos y datos a través de un enlace interno tipo UART. Al igual que para el entorno de simulación, se incluyen capacidades de inyección de fallos. Los resultados de pruebas para algunos escenarios son también presentados y comentados. En resumen, esta tesis cubre el proceso completo desde la descripción de los fallos FPGAs SRAM inducidos por radiación, pasando por la identificación y clasificación de técnicas de gestión de fallos, y por la propuesta de arquitecturas de Gestores de Fallos, para finalmente validarlas por simulación y pruebas. El trabajo futuro está relacionado sobre todo con la implementación de Gestores de Fallos de Sistema endurecidos para radiación. ABSTRACT SRAM-based Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) are built on Static RAM (SRAM) technology configuration memory. They present a number of features that make them very convenient for building complex embedded systems. First of all, they benefit from low Non-Recurrent Engineering (NRE) costs, as the logic and routing elements are pre-implemented (user design defines their connection). Also, as opposed to other FPGA technologies, they can be reconfigured (even in the field) an unlimited number of times. Moreover, Xilinx SRAM-based FPGAs feature Dynamic Partial Reconfiguration (DPR), which allows to partially reconfigure the FPGA without disrupting de application. Finally, they feature a high logic density, high processing capability and a rich set of hard macros. However, one limitation of this technology is its susceptibility to ionizing radiation, which increases with technology scaling (smaller geometries, lower voltages and higher frequencies). This is a first order concern for applications in harsh radiation environments and requiring high dependability. Ionizing radiation leads to long term degradation as well as instantaneous faults, which can in turn be reversible or produce irreversible damage. In SRAM-based FPGAs, radiation-induced faults can appear at two architectural layers, which are physically overlaid on the silicon die. The Application Layer (or A-Layer) contains the user-defined hardware, and the Configuration Layer (or C-Layer) contains the (volatile) configuration memory and its support circuitry. Faults at either layers can imply a system failure, which may be more ore less tolerated depending on the dependability requirements. In the general case, such faults must be managed in some way. This thesis is about managing SRAM-based FPGA faults at system level, in the context of autonomous and dependable embedded systems operating in a radiative environment. The focus is mainly on space applications, but the same principles can be applied to ground applications. The main differences between them are the radiation level and the possibility for maintenance. The different techniques for A-Layer and C-Layer fault management are classified and their implications in system dependability are assessed. Several architectures are proposed, both for single-layer and dual-layer Fault Managers. For the latter, a novel, flexible and versatile architecture is proposed. It manages both layers concurrently in a coordinated way, and allows balancing redundancy level and dependability. For the purpose of validating dynamic fault management techniques, two different solutions are developed. The first one is a simulation framework for C-Layer Fault Managers, based on SystemC as modeling language and event-driven simulator. This framework and its associated methodology allows exploring the Fault Manager design space, decoupling its design from the target FPGA development. The framework includes models for both the FPGA C-Layer and for the Fault Manager, which can interact at different abstraction levels (at configuration frame level and at JTAG or SelectMAP physical level). The framework is configurable, scalable and versatile, and includes fault injection capabilities. Simulation results for some scenarios are presented and discussed. The second one is a validation platform for Xilinx Virtex FPGA Fault Managers. The platform hosts three Xilinx Virtex-4 FX12 FPGA Modules and two general-purpose 32-bit Microcontroller Unit (MCU) Modules. The MCU Modules allow prototyping software-based CLayer and A-Layer Fault Managers. Each FPGA Module implements one A-Layer Ethernet link (through an Ethernet switch) with one of the MCU Modules, and one C-Layer JTAG link with the other. In addition, both MCU Modules exchange commands and data over an internal UART link. Similarly to the simulation framework, fault injection capabilities are implemented. Test results for some scenarios are also presented and discussed. In summary, this thesis covers the whole process from describing the problem of radiationinduced faults in SRAM-based FPGAs, then identifying and classifying fault management techniques, then proposing Fault Manager architectures and finally validating them by simulation and test. The proposed future work is mainly related to the implementation of radiation-hardened System Fault Managers.