μSpider
Environnement de Conception de Réseaux sur Puce

Samuel Evain
Soutenance de Thèse de Doctorat
LESTER-UBS

Vendredi 24 novembre 2006, Lorient

Samuel Evain


Plan
I.

Contexte de l’étude

II.

Outil de CAO

III. Garantir le temps réel par un TDMA
IV. TDMA dans le contexte d’horloges hétérogènes
V.

Sécurité

VI. Applications et résultats
VII. Conclusion, perspectives
Samuel Evain

I.

Contexte de l’étude

II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.

Outil de CAO
Garantir le temps réel par un TDMA
TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives

•CAO pour l’électronique embarquée
•Les communications
•Un NoC (Network on Chip)
•Espace de conception
•Contributions et positionnement des travaux
•Avancée des travaux au cours du temps

Plan
I.

Contexte de l’étude


II.

Outil de CAO

III. Garantir le temps réel par un TDMA
IV. TDMA dans le contexte d’horloges hétérogènes
V.

Sécurité

VI. Applications et résultats
VII. Conclusion, perspectives
Samuel Evain


I.

Contexte de l’étude

•CAO pour l’électronique embarquée

II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.

Outil de CAO

Garantir le temps réel par un TDMA
TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives

•Les communications
•Un NoC (Network on Chip)
•Espace de conception
•Contributions et positionnement des travaux
•Avancée des travaux au cours du temps

CAO pour l’électronique embarquée
 Problématique de la conception
 Degré d’intégration,
 Nombre grandissant d’applications,
 Manipuler d’important volume de données.

 Moyen pour mtriser la complexité.
 Réutilisation de l’existant (IP),
 Augmentation du niveau d’abstraction.

 Un outil de CAO pour l’électronique prend en compte:
 Logiciel,
 Application,
 Architecture.

Samuel Evain



I.

Contexte de l’étude

•CAO pour l’électronique embarquée

II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.

Outil de CAO
Garantir le temps réel par un TDMA
TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives

•Les communications
•Un NoC (Network on Chip)
•Espace de conception
•Contributions et positionnement des travaux
•Avancée des travaux au cours du temps

CAO pour l’électronique embarquée
 Client : utilisateur du système embarqué






Performance (capacité de traitement et consommation faible),
Évolution, pérennité,
Sécurité,
Prix.

 Constructeur de circuits
 Réduire la surface,
 Réduire la consommation,
 Satisfaire des contraintes de temps réel (bande passante,
latence).
 Réduire le temps de conception et de mise sur le marché.

 Constructeur d’un outil de CAO





Abstraire le problème,
Automatiser des taches fastidieuses et sources d’erreurs,
Réduire le temps d’exploration de l’espace de conception,
Chercher à maximiser des critères pour aboutir à une solution qui
convient.
Samuel Evain


I.


Contexte de l’étude

II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.

Outil de CAO
Garantir le temps réel par un TDMA
TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives

•CAO pour l’électronique embarquée

•Les communications
•Un NoC (Network on Chip)
•Espace de conception
•Contributions et positionnement des travaux
•Avancée des travaux au cours du temps

Les communications
 La communication devient dominante
par rapport au traitement en termes
 de temps,
 de consommation,

 et de surface.

IP

IP
IP

IP

?

IP
IP

IP

 Nécessité
 D’un moyen de communication adapté
aux futures systèmes.

???

 Problématique
 Apporter une solution pour
appréhender la complexité de l’espace
de conception.

Samuel Evain

IP

IP


I.

Contexte de l’étude

II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.

Outil de CAO
Garantir le temps réel par un TDMA
TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives

•CAO pour l’électronique embarquée
•Les communications

•Un NoC (Network on Chip)
•Espace de conception
•Contributions et positionnement des travaux
•Avancée des travaux au cours du temps

Un NoC (Network on Chip)

Un réseau

Un paquet

Lien
Routeur

Routeur

Routeur

NI

NI

W

W

IP

IP

Instructions
mot
mot

Routeur

NI


NI

W

W

Charge
utile
IP: Intellectual Property

IP

IP

Entête

mot

Flit
Phit

mot
mot

NI: Network Interface

Samuel Evain

Queue



I.

Contexte de l’étude

II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.

Outil de CAO
Garantir le temps réel par un TDMA
TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives

•CAO pour l’électronique embarquée
•Les communications

•Un NoC (Network on Chip)
•Espace de conception
•Contributions et positionnement des travaux
•Avancée des travaux au cours du temps

Un NoC (Network on Chip)
 Les avantages du réseau :

 Interconnexion : Flexibles, Extensibles, grand débit cumulé.
 Pas d’arbitrage central.
 Tous les types de trafics peuvent être mélangés.

 Les inconvénients du réseau :
 Latence (fonction du nombre de routeurs traversés).
 Risque de contention.
 Nécessite des règles pour garantir le trafic.

 Pourquoi le NoC devient incontournable?
 Complexité des schémas d’interconnexion entre les IPs.
 Niveau d’abstraction: une offre unifiée de services de communications.
 Formalisation: mtrise de l’espace de solution.
Samuel Evain


I.

Contexte de l’étude

II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.

Outil de CAO
Garantir le temps réel par un TDMA
TDMA avec des horloges hétérogènes

Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives

•CAO pour l’électronique embarquée
•Les communications
•Un NoC

•Espace de conception
•Contributions et positionnement des travaux
•Avancée des travaux au cours du temps

Espace de conception : vue générale d’un NoC
 Large espace de conception
 Topologie,
 Choix des chemins,
 Configuration pour satisfaire la
QoS,
 Profondeur des FIFOs.

NI

 Nécessite

NI

 Méthode de décision,
 Outil de décision.

Samuel Evain



I.

Contexte de l’étude

II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.

Outil de CAO
Garantir le temps réel par un TDMA
TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives

•CAO pour l’électronique embarquée
•Les communications
•Un NoC

•Espace de conception
•Contributions et positionnement des travaux
•Avancée des travaux au cours du temps

Espace de conception: Approche de parcours retenue
 Problème d’optimisation

 Approche heuristique.

 Fonction de coût
 Maximiser l’utilisation du NoC.
 Réduire la surface en faisant la meilleure utilisation du réseau en réduisant la
quantité de FIFO requise.

 Contraintes
 QoS / Applications : Latence, Débit, Sécurité, Coût, Sûreté de fonctionnement.
 QoS / Concepteur : Temps de conception.

 Nos choix:





Commutation par paquet.
Routage par la source.
Applications en partie statiques.
Temps réel par TDMA pour les communications critiques.

Samuel Evain


I.

Contexte de l’étude

II.

III.
IV.
V.
VI.
VII.

Outil de CAO
Garantir le temps réel par un TDMA
TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives

•CAO pour l’électronique embarquée
•Les communications
•Un NoC
•Espace de conception

•Contributions et positionnement des travaux
•Avancée des travaux au cours du temps

Contributions et positionnement des travaux
 Outil de CAO pour la conception automatique de NOC
 Exploration.
 Décision.
 Synthèse.

 Algorithme de décision
 Extraction des contraintes de communication depuis les contraintes
applicatives.

 Méthode de décision pour configurer le réseau et assurer le service.

 Solution pour garantir la QoS en présence d’horloges hétérogènes
 Technique faible coût de sécurisation.
 Validation
 Cas réels pour la décisions.
 Synthèse testée sur FPGA Xilinx.

Samuel Evain


I.

Contexte de l’étude

II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.

Outil de CAO
Garantir le temps réel par un TDMA
TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives

•CAO pour l’électronique embarquée

•Les communications
•Un NoC
•Espace de conception
•Contributions et positionnement des travaux

•Avancée des travaux au cours du temps

Avancée des travaux au cours du temps
Flot de conception
1) Etape de spécification
1) Etape dedespécification
Spécification
l’application
Spécification
de l’application
Choix
des paramètres
du NoC
Choix des paramètres du NoC
2) Dérivation automatique des
2) Dérivation
automatique des
contraintes
de communication
contraintes de communication
3) Configuration automatique du NoC
3) Configuration
automatique
Minimise
la profondeurs

des FIFOs du NoC
Minimise la profondeurs des FIFOs
4) Génération automatique du code
4) Génération
automatique
code
•Code
VHDL RTL pour
la synthèsedu
logique
•Code VHDL RTL pour la synthèse logique
(NIs, Routeurs, Table d’instruction de chemin,
(NIs, Routeurs, Table d’instruction de chemin,
…)
…) C (pilotes)
•Code
•Code C (pilotes)

Couches OSI

Domaines de recherche
Système

IP
source

Messages/transactions

IP
destination


Wrapper

Paquet/Flux

réseau

routeur
source

Liaison

Ctrl flux

Physique

Présentation
Wrapper

Adaptateur
réseau
Interface

Réseau

Application/

Flit

Interface

réseau

routeur
intermédiaire

routeur
destination

Ctrl flux Ctrl flux

Ctrl flux

Phit
Lien

Lien

Samuel Evain

Session/
Transport

Réseau

Liaison
Physique


I.


Contexte de l’étude

II.

Outil de CAO

III.
IV.
V.
VI.
VII.

Garantir le temps réel par un TDMA
TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives

•Caractéristiques
•Le flot de loutil àSpider
ãAdaptateur de protocole NoC bus OPB
ãMise en uvre sur plate forme FPGA Xilinx

Plan
I.

Contexte de l’étude

II. Outil de CAO
III. Garantir le temps réel par un TDMA

IV. TDMA dans le contexte d’horloges hétérogènes
V.

Sécurité

VI. Applications et résultats
VII. Conclusion, perspectives
Samuel Evain


I.

Contexte de l’étude

II.

Outil de CAO

III.
IV.
V.
VI.
VII.

Garantir le temps réel par un TDMA
TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives


•Caractéristiques
•Le flot de loutil àSpider
ãAdaptateur de protocole NoC bus OPB
ãMise en uvre sur plate forme FPGA Xilinx

Caractéristiques
 Approche objet
 Technologies logicielles
 Langage de programmation: Java,
 Environnement de développement: Eclipse,
 Fichiers d’échange standard: XML.

 Génération
 du code VHDL RTL du NoC (routeurs, NIs, wrappers, liens),
 des pilotes C pour le microprocesseur µBlaze,
 des fichiers pour ajouter le Noc en tant que composant de la
bibliothèque de EDK de Xilinx.

Samuel Evain


I.

Contexte de lộtude

ãCaractộristiques

II.

Outil de CAO


ãLe flot de loutil àSpider

III.
IV.
V.
VI.
VII.

Garantir le temps réel par un TDMA
TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives

•Adaptateur de protocole NoC – bus OPB
•Mise en œuvre sur plate forme FPGA Xilinx

Le flot de l’outil µSpider
Génération / Importation d’une architecture

Contraintes de communication (.xls)

Topologie du NoC (.xml)

Graphe de l’application (.xml)

Dimensionnement du TDMA en nombre de slots
Dérivation des contraintes
Exploration,

décision
Calcul du nombre
de slots
nécessaires
à chaque
communication
library
noc_v1_00_e;
use noc_v1_00_e.generique_parameter_pck.all;
Exploration spatio-temporelle
pour chaque communication
use noc_v1_00_e.archi_noc3mb4RGT_noc_parameter_pck.all;
Pour chaque communication, sélection d’un chemins et des slots
entity archi_noc_entity is
Dimensionnement des FIFOs
port (
Description de l’architecture
du NoC (.xml)
Configuration,
noc_clock:
in Génération
std_logic;
Génération
Codes VHDL RTL du NoC (.vhd)
Code C pour les pilotes du µBlaze
Samuel Evain


I.


Contexte de l’étude

II.

Outil de CAO

III.
IV.
V.
VI.
VII.

Garantir le temps réel par un TDMA
TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives

•Caractéristiques
•Le flot de loutil àSpider

ãAdaptateur de protocole NoC bus OPB
ãMise en uvre sur plate forme FPGA Xilinx

Adaptateur de protocole NoC – bus OPB
Transaction lecture/ộcriture
Adaptateur NoC-OPB

NoC
àBlaze 1

(Maợtre)

WRS1
Bus OPB 1 (Esclave)

NIport NI1

R

R

R

R

NI2 NIport

WRM2
(Maợtre)

Bus OPB 2

RAM ctrl
(Esclave)

Envoi de message
NoC
àBlaze 1
(Maợtre)


WRS1
Bus OPB 1 (Esclave)

NIport NI1

R

R

R

R

NI2 NIport

WRS2
Bus OPB 2
(Esclave)

Samuel Evain

àBlaze 2
(Maợtre)


I.

Contexte de l’étude

II.


Outil de CAO

III.
IV.
V.
VI.
VII.

Garantir le temps réel par un TDMA
TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives

•Caractéristiques
•Le flot de loutil àSpider

ãAdaptateur de protocole NoC bus OPB
ãMise en uvre sur plate forme FPGA Xilinx

Adaptateur de protocole NoC – bus OPB
Adaptateur matộriel (wrapper) et logiciel (pilote)
NoC

àBlaze 1
(Maợtre)
Programme

Pilote

HAL

WRS1
Bus OPB 1 (Esclave)

NIport NI1

R

R

R

R

NI2 NIport

WRM2
(Mtre)

 HAL: Hardware Abstraction Layer
@ de l’adaptateur
WRS1 sur le bus OPB1
@ pointée par le
programme du
processeur dans
son espace
mémoire

Numéro de connexion


@ de la RAM sur
le bus OPB2
Samuel Evain

Bus OPB 2

RAM ctrl
(Esclave)


I.

Contexte de l’étude

II.

Outil de CAO

III.
IV.
V.
VI.
VII.

Garantir le temps réel par un TDMA
TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives


•Caractéristiques
•Le flot de loutil àSpider
ãAdaptateur de protocole NoC bus OPB

ãMise en uvre sur plate forme FPGA Xilinx

Mise en œuvre sur plate forme FPGA Xilinx
 Plateforme de prototypage: Xilinx Virtex-II Pro FF1152 PROTO
BOARD.
 FPGA Xilinx Virtex-II Pro FF1152 VP-50-5.
 Logiciel: Xilinx ISE 8.2 SP3.

FPGA: Xilinx Virtex-II Pro
FF1152 VP50-5

Samuel Evain


I.
II.

Contexte de l’étude
Outil de CAO

III.

Garantir le temps réel par un TDMA

IV.

V.
VI.
VII.

TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives

•Des slots de temps pour répartir le trafic
•Routage spatio-temporel
•Extraction des contraintes de communication depuis les contraintes
applicatives
•Principe pour décider les chemins
•Algorithme de routage
•Communications mutuellement exclusives

Plan
I.

Contexte de l’étude

II.

Outil de CAO

III. Garantir le temps réel par un TDMA
IV. TDMA dans le contexte d’horloges hétérogènes
V.


Sécurité

VI. Applications et résultats
VII. Conclusion, perspectives
Samuel Evain


I.
II.

Contexte de l’étude
Outil de CAO

III.

Garantir le temps réel par un TDMA

IV.
V.
VI.
VII.

TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives

•Des slots de temps pour répartir le trafic
•Routage spatio-temporel
•Extraction des contraintes de communication depuis les contraintes

applicatives
•Principe pour décider les chemins
•Algorithme de routage
•Communications mutuellement exclusives

Des slots de temps pour répartir le trafic
 L’utilisation des liens est répartie dans le temps entre les
communications.
 L’envoi des paquets depuis les interfaces d’entrée du réseau est
rythmé par des réservations de slots de temps dans des tables
TDMA.
 Le pré-ordonnancement du TDMA
 Garantit l’absence de conflit,
 Assure la bande passante,
 Assure la latence.

IP 1

IP 2

IP 3

NI_0

NI_1

R1

NI_2


Samuel Evain

R2


•Des slots de temps pour répartir le trafic

I.
II.

Contexte de l’étude
Outil de CAO

III.

Garantir le temps réel par un TDMA

IV.
V.
VI.
VII.

TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives

•Routage spatio-temporel
•Extraction des contraintes de communication depuis les contraintes
applicatives

•Principe pour décider les chemins
•Algorithme de routage
•Communications mutuellement exclusives

Routage spatio-temporel
 Vue topologique

t
 Vue Spatio-temporelle
 Exploration sur les dimensions espace et temps

Slots de temps

BE

GT

FIFO

y

x

Samuel Evain


I.
II.

Contexte de l’étude

Outil de CAO

•Des slots de temps pour répartir le trafic
•Routage spatio-temporel

III.

Garantir le temps réel par un TDMA

IV.
V.
VI.
VII.

TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives

•Extraction des contraintes de
communication
•Principe pour décider les chemins
•Algorithme de routage
•Communications mutuellement exclusives

Routage spatio-temporel

 Définir le nombre de slots de la table TDMA: N.

 Bande passante d’un slot=1/N de la bande passante du

lien.
 Répartition de l’utilisation du lien
 Influe sur:

delai

 la latence
 la taille des FIFOs

 Définir le nombre de slots à réserver dans la table TDMA
 Bande passante de la communication

 Décider du chemin spatio-temporel
 Chemin
 Slots occupés dans la table TDMA
NI_1

R00

R01

R10

R11

Samuel Evain

NI_2



I.
II.

Contexte de l’étude
Outil de CAO

•Des slots de temps pour répartir le trafic
•Routage spatio-temporel

III.

Garantir le temps réel par un TDMA

IV.
V.
VI.
VII.

TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives

•Extraction des contraintes de
communication
•Principe pour décider les chemins
•Algorithme de routage
•Communications mutuellement exclusives

Extraction des contraintes de communication depuis

les contraintes applicatives
Contraintes applicatives

entrée

Tâche
1

Tâche
2

Tâche
3

Tâche
4

Contraintes de communication
(latence, bande-passante)

Samuel Evain

sortie


I.
II.

Contexte de l’étude
Outil de CAO


•Des slots de temps pour répartir le trafic
•Routage spatio-temporel

III.

Garantir le temps réel par un TDMA

IV.
V.
VI.
VII.

TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives

•Extraction des contraintes de
communication
•Principe pour décider les chemins
•Algorithme de routage
•Communications mutuellement exclusives

Extraction des contraintes de communication depuis
les contraintes applicatives
Contraintes applicatives
Comment dériver les
contraintes de
communication

depuis les
contraintes applicatives?

entrée

Tâche
1

Tâche
2

Tâche
3

Tâche
4

Contraintes de communication
(latence, bande-passante)
 Les interdépendances du problème

 Il faut casser les dépendances

Latence

Bande passante

Samuel Evain

sortie



I.
II.

Contexte de l’étude
Outil de CAO

•Des slots de temps pour répartir le trafic
•Routage spatio-temporel

III.

Garantir le temps réel par un TDMA

IV.
V.
VI.
VII.

TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Applications et résultats
Conclusion, perspectives

•Extraction des contraintes de
communication
•Principe pour décider les chemins
•Algorithme de routage
•Communications mutuellement exclusives


Extraction des contraintes de communication depuis
les contraintes applicatives

OK

Règles de cadence et d’initialisation
5
=f(L,Bw)
Non OK

3
Comi

1
Latence

4

2
Bande passante

i=1 à N

Samuel Evain

TDMA
min